5. hulevesien hallinta mallintamalla

HELI JAAKOLA
HULEVESIEN HALLINTA MALLINTAMALLA
Diplomityö
Tarkastaja: professori Jukka Rintala
Tarkastaja ja aihe hyväksytty Luonnontieteiden
tiedekuntaneuvoston
kokouksessa 6. toukokuuta 2015
i
TIIVISTELMÄ
HELI JAAKOLA: Hulevesien hallinta mallintamalla
Tampereen teknillinen yliopisto
Diplomityö, 135 sivua
Heinäkuu 2015
Ympäristö- ja energiatekniikan koulutusohjelma
Pääaine: Vesi- ja jätehuoltotekniikka
Tarkastaja: professori Jukka Rintala
Avainsanat: Hulevesi, mallinnus, valunta, viivytysrakenne, SWMM, rationaalinen
menetelmä
Hulevesien hallinnan ohjeistusta sekä vastuita on uudistettu Suomessa viimevuosina.
Maankäyttö- ja rakennuslain päivitys astui voimaan elokuussa 2014, jolloin hulevesien
hallinta siirrettiin kuntien vastuulle osaksi asemakaavoitusta. Vuonna 2012 ja 2013 julkaistiin uutta ohjeistusta hulevesien hallintaan ja mitoitukseen. Annetut mitoitusarvot
perustuvat riskinarviointiin ja ovat ohjeellisia. Ohjeistus tunnistaa mallinnuksen tuomia
hyötyjä hulevesien hallintaan, mutta ei ota kantaa laskentamenetelmien yms. valintaan.
Työn tarkoituksena on verrata kahden hulevesien hallinnan mallinnusohjelman (A ja B)
välisiä eroja, kolmen hydraulisen laskentamenetelmän (dynaaminen, kinemaattinen ja
convex) vaikutuksia, kahden valunnan laskentamenetelmän (MRM ja SWMM) sekä
käsin tehdyn laskennan eroja. Vaikutuksia tarkasteltiin kahdessa Nurmijärvellä sijaitsevassa esimerkkikohteessa: kaavoitettavalle Kylänpään alueelle arvioitiin viivytystarvetta
ja kiertoliittymän suunnittelun yhteydessä määritettiin Rajamäen alueen verkoston kapasiteetti- ja viivytystarve. Viivytystarve laskettiin lisäksi vaihtoehtoisella laskentatavalla, joka perustui tehokkaan läpäisemättömän pinnan määrään (EIA) 16 mm sateella.
Mitoitussateen valinnalla on suurin vaikutus viivytysrakenteen kokoon. Viiden vuoden
ero sateen toistuvuudessa vaikutti viivytystarpeeseen 40 %. Hydraulinen laskentamenetelmä vaikutti viivytystarpeeseen verkoston toimintakyvyn, virtausnopeuden ja viipymän kautta. Menetelmien välinen ero viivytysrakenteen tilavuudessa oli 5…20 %.
Valuntamenetelmä, käytetyt kertoimet ja arvot vaikuttavat suoraan muodostuvan huleveden määrään. Rationaalisessa menetelmässä huleveden suhteellinen osuus on vakio,
SWMM-menetelmässä määrään vaikuttavat myös maaperän ominaisuudet kuten imeyntä ja painannesäilyntä. Menetelmien väliseen eroon vaikuttaa myös sateen määrä.
Pienin viivytystarve saavutettiin ohjelmalla A, SWMM-menetelmällä käytettäessä dynaamista laskentamenetelmää. Suurin viivytystarve muodostui käsin laskemalla. Käytettäessä vaihtoehtoista, EIA:n määrään perustuvaa laskentatapaa, viivytystarve Rajamäellä pieneni 20…25 %.
Nykyinen hulevesiohjeistus on puutteellista mallinnuksen ohjeistuksen suhteen. Valittu
laskentamenetelmä vaikuttaa merkittävästi laskentatulosten suuruusluokkaan. Nykyinen
hulevesien hallinnan mitoitusohjeistus voi johtaa hulevesijärjestelmien ylimitoitukseen.
ii
ABSTRACT
HELI JAAKOLA: Stormwater management by modelling
Tampere University of Technology
Master of Science Thesis, 134 pages
July 2015
Master’s Degree Programme in Environmental and Energy Technology
Major: Water and Waste Management Engineering
Examiner: Professor Jukka Rintala
Keywords: stormwater management, runoff, modelling, storage volume,
SMWW, rational method
Guidelines and responsibilities for stormwater management have been reformed during
the past few years in Finland. An update of land-use and construction law in August
2014 transferred stormwater management to be part of detailed land-use planning. New
manuals for stormwater management and drainage design were released in 2012 and
2013. Design guidelines are based on risk assessment and are directive. New introductions recognize the benefits of modelling but there is no guidance for the selection of
modelling parameters or calculation methods.
The purpose of this thesis is to compare the differences between two stormwater management programs (A and B), three different hydraulic routing methods (dynamic, kinematic and convex), two hydrology methods (modified rational method and SWMM)
and manual calculations. Impacts were observed in two modelling case studies in Nurmijärvi. Demand for stormwater detention volume was studied in case Kylänpää during
detailed land-use planning. Capacity of stormwater network and the required volume of
detention storage were defined during roundabout planning in case Rajamäki. The needed detention volume was also defined with an alternative method that is based on effective impervious area (EIA) and a 16 mm rainfall.
The chosen precipitation input has the most significant impact on the amount of required detention storage volume. The effect of five years in storm frequency is 40 %.
Hydraulic method influences network attributes like velocity of water and delay. Impact
of used hydraulic method is 5…20 %.
Hydrology method and used parameters directly affect the runoff gain. With the rational
method the proportion of runoff generated from precipitation is constant. With the
SWMM method the properties of the soil, like conductivity and depression depth, affects the volume gain. The amount of rainfall also affects the differences of these methods.
The smallest detention storage volume was gained with program A while using the
SWMM method and dynamic routing method. The biggest need for storage volume was
achieved by manual calculations. In the case of Rajamäki the need for storage volume
was decreased by 150 m3 or 20…25 % when using the EIA method.
Guidelines for stormwater modelling are defective. The choice of the used calculation
method significally affects the results and the use of current stormwater guidelines can
cause oversized structures.
iii
ALKUSANAT
Tämä työ on tehty Tampereella, Sweco Ympäristö Oy:lle. Kiitän lämpimästi työtä ohjannutta suunnittelupäällikkö Piia Alhoa Sweco Ympäristö Oy:stä ja työn tarkastajaa
professori Jukka Rintalaa. Haluan myös kiittää Nurmijärven kaupunkia yhteistyöstä,
sekä työtovereita tuesta ja ymmärryksestä työn eri vaiheissa.
Kiitokset myös perheelleni ja ystävilleni kärsivällisyydestä ja kannustuksesta työtä tehdessä.
Tampereella, 10.07.2015.
Heli Jaakola
iv
SISÄLLYSLUETTELO
1.
2.
3.
JOHDANTO ......................................................................................................... 1
HULEVESIEN HALLINNAN PERUSTEET........................................................ 2
2.1 Hulevesien hallinnan vastuut ja määräykset ................................................ 3
2.1.1
ELY-keskuksen vastuut ja velvollisuudet ...................................... 4
2.1.2
Kunnan vastuut ja velvollisuudet ................................................... 4
2.1.3
Kiinteistön omistajan vastuut ja velvollisuudet .............................. 6
2.2 Hulevesien yhteys muuhun suunnitteluun ................................................... 6
2.2.1
Kaavoitus ...................................................................................... 6
2.2.2
Pohjaveden ja pintavesien suojelu ................................................. 9
2.2.3
Rakentaminen ............................................................................. 11
2.2.4
Rakentamisen aikainen hulevesien hallinta .................................. 12
2.2.5
Ojitus .......................................................................................... 13
2.3 Hulevesien johtaminen.............................................................................. 15
2.3.1
Pintajohtamismenetelmät ............................................................ 15
2.3.2
Hulevesiverkosto ........................................................................ 19
2.3.3
Salaojat ja suotosalaojat .............................................................. 21
2.4 Viivytysrakenteet ...................................................................................... 22
2.5 Imeytys- ja suodatusrakenteet ................................................................... 24
2.5.1
Imeytysrakenteet ......................................................................... 25
2.5.2
Suodatusrakenteet ....................................................................... 26
2.5.3
Biopidätysalueet.......................................................................... 27
2.5.4
Läpäisevät päällysteet ................................................................. 28
2.6 Lammikko ja kosteikot ............................................................................. 29
2.7 Öljynerotuskaivot ..................................................................................... 31
2.8 Kasvillisuus .............................................................................................. 32
2.9 Tulviminen ja tulvareitit ........................................................................... 32
HULEVESIEN HALLINNAN MITOITUSKÄYTÄNNÖT SUOMESSA ........... 35
3.1 Mitoitusvirtaama ....................................................................................... 35
3.1.1
Mitoitussade................................................................................ 36
3.1.2
Valumakerroin ............................................................................ 38
3.2 Hulevesien johtamisjärjestelmät................................................................ 39
3.2.1
Ojat ja painanteet ........................................................................ 39
3.2.2
Rummut ...................................................................................... 41
3.2.3
Hulevesiviemärit ......................................................................... 43
3.2.4
Kiinteistökohtaiset järjestelmät ................................................... 44
3.3 Hulevesien määrällinen ja laadullinen hallinta .......................................... 45
3.3.1
Viivytysrakenteet ........................................................................ 45
3.3.2
Maanpäällisen viivytysrakenteen mitoitus ................................... 46
3.3.3
Veden viivytys huokostilassa ...................................................... 46
v
4.
5.
6.
3.4 Tulvareitti ................................................................................................. 47
3.5 Vaihtoehto viralliselle mitoitusohjeistukselle ............................................ 48
HULEVESIEN HALLINNAN TARVE .............................................................. 52
HULEVESIEN HALLINTA MALLINTAMALLA............................................. 53
5.1 Mallinnuksen vaiheet ................................................................................ 53
5.2 Käyttö....................................................................................................... 54
5.3 Tulvimisen mallinnus ............................................................................... 55
5.4 Epävarmuustekijät ja virheet mallissa ....................................................... 56
5.5 Sadanta ..................................................................................................... 57
5.6 Valunta ..................................................................................................... 58
5.6.1
Horton ........................................................................................ 59
5.6.2
Green ja Ampt............................................................................. 60
5.6.3
Rationaalinen menetelmä ............................................................ 60
5.6.4
SCS............................................................................................. 61
5.6.5
Yksikkövaluntakäyrä .................................................................. 62
5.6.6
Pintavalunta SWMM-mallissa ..................................................... 64
5.6.7
HEC-1 ........................................................................................ 66
5.7 Painovoiman vaikutus virtausolotiloihin ................................................... 67
5.8 Viskositeetin vaikutus virtausolotiloihin ................................................... 68
5.9 Hydraulinen laskenta ................................................................................ 69
5.9.1
Saint Venantin yhtälö eli dynaaminen aaltoyhtälö ....................... 69
5.9.2
Kinemaattinen aaltoyhtälö ........................................................... 70
5.9.3
Stationäärinen eli pysyvä virtaus (steady flow) ............................ 71
5.9.4
Convex-menetelmä ..................................................................... 71
5.10 Valunta-aika ............................................................................................. 72
5.11 Paikallishäviöt hydraulisessa laskennassa ................................................. 74
5.11.1 Yleinen ja geneerinen häviökaava ............................................... 75
5.11.2 HEC-22....................................................................................... 75
5.11.3 AASHTO .................................................................................... 75
5.12 Lähtötietojen tarkkuus .............................................................................. 76
MENETELMÄT ................................................................................................. 77
6.1 Mallinnusohjelmat .................................................................................... 77
6.2 Ohjelmien perusominaisuudet ................................................................... 77
6.3 Hydraulinen laskenta ................................................................................ 79
6.4 Mallin rakentaminen ................................................................................. 83
6.4.1
Ohjelma A .................................................................................. 83
6.4.2
Ohjelma B ................................................................................... 85
6.5 Mallinnustilanteet ..................................................................................... 88
6.6 Mallinnustilanne 1: uuden alueen kaavoitus .............................................. 88
6.7 Mallinnustilanne 2: rakennetun alueen kapasiteetti.................................... 91
6.8 Ohjelmien vertailussa käytettävät laskentaominaisuudet ........................... 95
6.9 Viivytystarve EIA:n perusteella ................................................................ 95
vi
7.
TULOKSET JA TULOSTEN TARKASTELU ................................................... 96
7.1 Ohjeistus ohjelmien käyttöön .................................................................... 96
7.2 Ohjelmien ominaisuuksien vertailu ........................................................... 96
7.2.1
Mallin rakentaminen ................................................................... 97
7.2.2
Tietojen syöttö rakennettuun malliin ........................................... 97
7.2.3
Syötetyn tiedon muuttaminen ...................................................... 97
7.2.4
Sadetiedot ................................................................................... 98
7.2.5
Hydraulinen laskenta................................................................... 99
7.2.6
Aika-askeleen pituus ja laskenta-aika ........................................ 100
7.2.7
Määrällisen ja laadullisen hallinnan työkalut ............................. 100
7.2.8
Viivytysrakenne ........................................................................ 102
7.2.9
Kaivojen nielu- ja purkuhäviöt .................................................. 103
7.2.10 Mallinnettavat tilanteet.............................................................. 105
7.2.11 Mallinnettavien tilanteiden vertailu ........................................... 106
7.2.12 Useampi purkuputki kaivosta .................................................... 107
7.2.13 Tulosten esittäminen ................................................................. 107
7.2.14 Tulosten vertailu ....................................................................... 107
7.2.15 Tiedon siirto.............................................................................. 108
7.3 Mallinnustilanteen 1 tulokset (Kylänpää) ................................................ 110
7.3.1
Osavaluma-alueilta muodostuvat hulevesivirtaamat .................. 110
7.3.2
Viivytysrakenteet ...................................................................... 112
7.3.3
Herkkyystarkastelu ................................................................... 113
7.3.4
Viivytystarve EIA-menetelmällä ............................................... 116
7.4 Mallinnustilanteen 2 tulokset (Rajamäki) ................................................ 117
7.4.1
Tehokas sadanta ........................................................................ 117
7.4.2
Valuma-alueilta purkautuva huippuvirtaama ............................. 119
7.4.3
Virtaamat verkostossa ............................................................... 120
7.4.4
Viivytysrakenne ........................................................................ 122
7.4.5
Herkkyystarkastelu ................................................................... 123
7.4.6
Viivytystarve EIA-menetelmällä ............................................... 124
8. JOHTOPÄÄTÖKSET ....................................................................................... 127
LÄHTEET ................................................................................................................ 130
vii
LYHENTEET JA MERKINNÄT
AASHTO
The American Association of State Highway and Transportation
officials. Julkaissut hulevesien hallinnan ohjeistuksen, joka tunnetaan AASHTO nimellä.
AVI
Aluehallintovirasto
C
Valuntakerroin, joka kuvaa huleveden osuutta sateesta. Valuntakertoimessa on huomioitu erialisia häviöitä, kuten imeytyminen maahan, haihtuminen ja pidättyminen pinnan painanteisiin.
CDS
Chicago Design Storm. Mitoitussade, jossa sateen intensiteetti
muuttuu ajan suhteen (intensiteettihuippu sateen keskellä).
CN
Curve Number eli käyränumero. Kuvaa maaperän ominaisuutta
SCS:n hulevesien hallintamenetelmissä
EIA
Tehoisa eli kuivatusjärjestelmään yhdistetty osuus valuma-alueen
läpäisemättömästä pinnasta.
ELY
Elinkeino-, liikenne- ja ympäristökeskus
FHWA
Federal Highway Administration. Liittovaltion tiehallinto USA:ssa.
HEC-1
U.S. Hydrology Engineering Center (HEC) of Army Corps of Engineers kehittämä mallinnusohjelma.
HEC-22
Hydraulic Engineerin Circular No 22 -menetelmäksi kutsuttu Yhdysvaltalainen, tiehallinnon (FHWA) julkaisema suunnitteluohjeistus. Sisältää mm. paikallishäviöiden arviointimenetelmän.
IUH
Instant Unit Hydrograph. Välittömästi valuma-alueelta purkautuva
valuntakäyrä (hydrografi).
MRL
Maankäyttö- ja rakennuslaki
MRM
Modified rational method eli sovellus rationaalisesta menetelmästä,
joka mahdollistaa virtaamakäyrän laadinnan purkupisteessä.
NRCS
Natural Resources Conservation Services
RakMK
Rakentamismääräyskokoelma.
RM
Rationaalinen menetelmä. Määrittää valuma-alueelta muodostuvan
huippuvirtaaman valumakertoimen avulla.
viii
SCS
Soil Conservation Service:n kehittämä valunnan arviointimenetelmä, joka perustuu empiirisiin, Yhdysvalloissa tehtyihin tutkimuksiin.
SWMM
Yhdysvaltain ympäristönsuojeluviraston (U.S. EPA) kehittämä ja
julkaisema hulevesien hallintaohjelmisto Storm Water Management
Model.
Tc
Valunta-aika (time of concentration), joka kaukaisimpaan osaan
osavaluma-aluetta sataneelta vedeltä kestää virrata tarkastelupisteeseen.
TIA
Läpäisemättömän pinnan osuus valuma-alueesta (total impervious
area).
TR-20
Technical Release 20 -menetelmä. SCS-menetelmästä tehty mallinnusohjelma suuremmille valuma-alueille.
TR-55
Technical Release 55 -menetelmä. SCS-menetelmästä tehty graafinen sovellus ja mallinnusohjelma pienille valuma-alueille.
1
1. JOHDANTO
Vuonna 2003 Suomen pinta-alasta alle kaksi prosenttia oli taajaan asuttua, ja taajamissa
asui 80 prosenttia koko maan väestöstä. Asutuksen keskittyminen taajamiin on ollut
voimakkainta 1980- luvulla ja kolmasosa taajamien pinta-alasta on rakennettu vuosien
1980-2000 välisenä aikana. (Ristimäki et al. 2003). Saarisen (2011) mukaan taajamien
määrä on vähentynyt, kun suomalaiset ovat muuttaneet taajamista kaupunkeihin ja kasvukeskukset ovat sulauttaneet läheiset taajamat itseensä. Ilmastonmuutoksen hillintä ja
kuntien kasvavat kustannukset tulevat tiivistämään yhdyskuntarakennetta edelleen.
Asutuksen keskittyessä läpäisemättömän maapinnan osuus on kasvanut, mikä on vaikuttanut muodostuviin hulevesimääriin. Aina 2000-luvulle saakka taajama-alueiden hulevesien hallinta Suomessa on koostunut lähinnä hulevesien tehokkaasta johtamisesta
eteenpäin. Taajamien laajentuessa ja tiivistyessä, hulevesien aiheuttamiin haittavaikutuksiin on havahduttu. Hulevesien hallinta taajama-alueilla siirrettiin kunnan vastuulle
maankäyttö- ja rakennuslain päivityksen yhteydessä elokuussa 2014.
Hulevesien hallinnan tavoitteiden, mitoituksen ja suunnittelun uusimmat ohjeet ovat
Kuntaliiton (2012) hulevesioppaassa sekä Liikenneviraston ohjeessa 05/2013 teiden ja
ratojen kuivatuksen suunnittelu. Ohjeistus perustuu riskinarviointiin ja on suurimmaksi
osaksi ohjeellista. Mitoituksessa käytettävät arvot pohjautuvat ulkomaisiin tutkimuksiin,
jotka eivät välttämättä vastaa Suomen olosuhteita. (Sillanpää 2013). Hulevesioppaassa
kehotetaan käyttämään mallinnusta hulevesien hallinnan suunnittelussa, mutta varsinaisen mitoituksen ohjeistus on annettu käsin tehtävälle laskennalle.
Tässä työssä on koottu yhteen pääperiaatteet hulevesien hallinnasta, mitoituksesta, vastuista ja velvollisuuksista. Työssä on kartoitettu hulevesien mallinnuksen perusteita,
käytössä olevia laskentamenetelmiä sekä valintoja, joita mallinnusta aloittaessa tehdään.
Tässä työssä verrataan kahta kaupallista mallinnusohjelmaa, joissa molemmissa on hulevesien määrään ja hallintaan soveltuvia ominaisuuksia. Työssä esitetyt laskentamenetelmät on valittu mallinnusohjelmien ominaisuuksien perusteella. Kaikkia ohjelmien eri
laskentamenetelmiä ja ominaisuuksia ei ole esitetty.
Teoreettisen vertailun lisäksi mallinnusohjelmia on verrattu käytettävyyden ja toimintojen suhteen kahdessa mallinnustilanteessa. Ensimmäinen mallinnustilanne liittyy uuden
alueen kaavoittamiseen ja toinen katualueen uudistamisen yhteydessä tehtävään kuivatusjärjestelyiden uusintaan. Molemmat mallinnustilanteet sijaitsevat Nurmijärven Rajamäellä.
2
2. HULEVESIEN HALLINNAN PERUSTEET
Maankäyttö- ja rakennuslain (MRL) mukaan hulevedet ovat rakennetulla alueella maan
pinnalle, rakennuksen katolle tai muulle pinnalle kertyviä sade- tai sulamisvesiä. Hulevesien hallinnalla tarkoitetaan hulevesien imeyttämiseen, viivyttämiseen, johtamiseen,
viemäröintiin ja käsittelyyn liittyviä toimenpiteitä. Hulevesien hallinnan yleinen tavoite
on kehittää hulevesien suunnitelmallista hallintaa erityisesti asemakaava-alueella,
imeyttää ja viivyttää hulevesiä niiden kerääntymispaikalla, ehkäistä hulevesistä aiheutuvia haittoja ja vahinkoja sekä vähentää hulevesien johtamista viemäriin. (MRL 1999).
Veden luonnollisessa kiertokulussa huomattava osuus sadevedestä imeytyy maaperään
pohjavedeksi, osa vedestä valuu hitaasti maan pinnalla tai maakerroksissa kohti vesistöjä ja loput haihtuvat ilmaan. Kaupunkimainen rakentaminen estää veden luonnontilaisen
kierron. Läpäisemättömät pinnat, kuten katot ja kadut, estävät suoran imeytyminen
maaperään (FISRWG 1998, Kuntaliitto 2012). Rakenteiden kestämistä parannetaan
kuivatusjärjestelyillä, jotka johtavat pinnoille satavan veden tehokkaasti eteenpäin pienentäen haihduntaa. (Liikennevirasto 2013, Kuntaliitto 2012). Läpäisemättömän pinnan
osuuden vaikutus pintavalunnan muodostumiseen on esitetty kuvassa 1.
Kuva 1. Läpäisemättömän päällysteen määrän vaikutus pintavaluntaan. (Mukailtu:
FISRWG 1998)
Taajamissa tulvat ovat yleistyneet taajama-alueiden kasvaessa ja tiivistyessä. Avo-ojiin
perustuneita kuivatusratkaisuja on korvattu hulevesiviemäreillä katutilan siistimiseksi ja
3
hyötypinta-alan kasvattamiseksi. Vanhojen alueiden täydennysrakentaminen on lisännyt
olemassa olevien hulevesijärjestelmien kuormitusta. Lisäksi rakentamattomia alueita,
jotka ovat aikaisemmin toimineet luontaisina pintavalunnan varastoalueena, on otettu
hyötykäyttöön. Viivytyskapasiteetin pienentyminen, hulevesijärjestelmän kapasiteetin
riittämättömyys, puutteellinen kunnossapito ja tavanomaista suuremmat sademäärät
ovat eräitä syitä tulvien syntyyn ja tulvista aiheutuvien vahinkojen kasvuun. (Kuntaliitto
2012).
Hulevesien aiheuttamiin ympäristövaikutuksiin, kuten tulviin, eroosioon ja hulevesien
aiheuttamaan vesistökuormitukseen on alettu kiinnittää huomiota. Hulevesien hallinta
edellyttää kokonaisvaltaista suunnittelua ja hulevesien huomiointia niin kaavoituksessa,
alueiden rakentamisessa kuin kunnossapidossa. Kuntaliiton laatiman hulevesioppaan
(2012) mukaan hulevesien hallinnan yleisiksi periaatteiksi ovat priorisoituneet:
·
·
·
·
·
2.1
hulevesien muodostumisen estäminen
hulevesien määrän vähentäminen (käsittely ja hyödyntäminen syntypaikalla)
johtaminen suodattavalla ja hidastavalla järjestelmällä
johtaminen yleisillä alueilla oleville hidastus- ja viivytysalueille
johtaminen purkuvesiin tai pois alueelta.
Hulevesien hallinnan vastuut ja määräykset
Elokuussa 2014 maankäyttö- ja rakennuslakiin (132/1999) liitettiin hulevesiä koskevat
erityiset säännökset. Samalla vesihuoltolakia (119/2001) päivitettiin vastaamaan maankäyttö- ja rakennuslain muutoksia. Uudet määräykset ovat astuneet voimaan syyskuussa
2014.
Hulevesiin liittyviä keskeisiä lakeja ja asetuksia ovat maankäyttö- ja rakennusasetus
(132/1999), vesilaki (587/2011) ja laki tulvariskien hallinnasta eli tulvariskilaki
(620/2010) ja -asetus (659/2010). Tulvariskilaki pohjautuu Euroopan Unionin direktiiviin tulvien arvioinnista ja hallinnasta.
Muita hulevesiin liittyviä lakeja ovat laki vesienhoidon ja merenhoidon järjestämisestä
eli vesienhoitolaki (1299/2004), ympäristönsuojelulaki (86/2000), luonnonsuojelulaki
(1096/1996), laki kadun ja eräiden yleisten alueiden kunnossa- ja puhtaanapidosta
(669/1978), maantielaki (503/2005) ja ratalaki (110/2007). Vesienhoitolaki pohjautuu
Euroopan Unionin vesipuitedirektiiviin (2000/60/EY). Vesienhoitolakia on täydennetty
valtioneuvoston asetuksella (1040/2006).
Maankäyttö- ja rakennuslakia tarkemmat rakentamista koskevat säännökset ja ohjeet on
koottu Suomen rakentamismääräyskokoelmaan.
4
2.1.1 ELY-keskuksen vastuut ja velvollisuudet
Tulvariskien hallintaa koskevan lain (620/2010) mukaan ELY-keskus (Elinkeino-, liikenne- ja ympäristökeskus) tekee vesistöalueiden ja merenrannikon tulvariskien alustavat arvioinnit, laatii tulvavaara- ja tulvariskikartat sekä valmistelee ehdotukset vesistöalueiden ja merenrannikon tulvariskien hallintasuunnitelmiksi. Tulvavaarakartassa esitetään veden alle jäävät alueet sekä vedenkorkeudet tietyllä tulvan todennäköisyydellä.
Tulvariskikarttaan on koottu tietyllä todennäköisyydellä esiintyvän tulvan haitan suuruus, kuten vahingolliset seuraukset ihmisten terveydelle ja turvallisuudelle, veden- ja
sähkönjakelun toimintakyvylle, sekä haitat ympäristölle. Tulvariskien hallintasuunnitelmassa laaditaan toimenpiteitä, joilla voidaan vähentää tulvien todennäköisyyttä, vähentää tulvimisesta aiheutuvia riskejä sekä parantaa varautumista ja laatia toimintasuunnitelmia tulvimistilanteita varten.
ELY-keskus avustaa kuntia hulevesitulvariskien alustavassa arvioinnissa, merkittävien
tulvariskialueiden nimeämisessä ja tulvariskien hallintasuunnitelmien laatimisessa (Tulvariskilaki 2010).
Vesienhoitoasetuksen (1040/2006) mukaan ELY-keskus luokittelee pinta- ja pohjavedet, huolehtii vesienhoitosuunnitelmaa varten laadittavien selvitysten ja toimenpideohjelman laadinnasta sekä kokoaa ehdotuksen vesienhoitosuunnitelmaksi ja laatii seurantaohjelman. Vesienhoitosuunnitelmassa voidaan antaa hulevesien johtamiseen vaikuttavia tavoitteita ja toimintaohjeita alueille, joilla hulevesien osuus pintavesien kuormittajana on merkittävä ja vesien tilaa on tarpeen parantaa (Ympäristöministeriö 2007).
2.1.2 Kunnan vastuut ja velvollisuudet
Maankäyttö- ja rakennuslain (132/1999) mukaan kunta vastaa hulevesien hallinnan järjestämisestä asemakaava-alueella. Halutessaan kunta voi vastata myös muiden alueiden
hulevesien hallinnan järjestämisestä.
Kunnan tulee tarvittaessa ryhtyä toimenpiteisiin kunnan hulevesijärjestelmän ja vesihuoltolaitoksen hulevesiviemäriverkoston toteuttamiseksi. Hulevesijärjestelmä tulee
toteuttaa asemakaavan mukaista maankäyttöä vastaavasti. Kustannukset eivät saa muodostua kohtuuttomaksi kunnalle, kiinteistön omistajalle tai haltijalle. (MRL 1999).
Kunta ja vesihuoltolaitos voivat sopia, että vesihuoltolaitos vastaa huleveden viemäröinnistä määrätyillä alueilla. (Vesihuoltolaki 2001). Kunnan hulevesijärjestelmä sisältää hulevesien hallintaan tarkoitettujen alueiden ja rakenteiden kokonaisuuden lukuun
ottamatta em. vesihuoltolaitoksen hulevesiviemäriverkostoja. (MRL 1999).
Hulevesien hallinnalle voidaan antaa määräyksiä oikeusvaikutteisessa yleiskaavassa tai
asemakaavassa. Kaavamääräysten lisäksi kunnan määräämä monijäseninen toimielin
5
voi antaa kuntaa tai kunnan osaa koskevia hulevesimääräyksiä. Määräysten valmistelussa ja laatimisessa noudatetaan samoja säädöksiä kuin rakennusjärjestyksen valmistelussa ja laatimisessa. Määräykset voivat liittyä kiinteistöltä johdettavien hulevesien määrään, laatuun, maahan imeyttämiseen, viivyttämiseen, tarkkailuun, käsittelyyn ja hulevesijärjestelmään liittymisen suhteen. Hulevesimääräyksiä ei sovelleta, jos ne ovat em.
kaavojen vastaisia. (MRL 1999).
Hulevesisuunnitelma on katusuunnitelmaan verrattava detaljisuunnitelma, jossa esitetään hulevesien hallinnan ratkaisut ja rakenteet, kuten esimerkiksi imeytysalueet, kosteikot, ojat, valumavesien reitit, putket ja pumppaamot. Hulevesisuunnitelma on oltava
asemakaavan mukainen ja vastattava kaavan mukaisia maankäytön tarpeita. Suunnitelman laadinnassa on huomioitava katusuunnitelma ja yleisten alueiden suunnitelma. Hulevesisuunnitelman tulee täyttää toimivuuden, turvallisuuden ja viihtyisyyden vaatimukset myös sademäärän ja rankkasateiden lisääntyessä. Usein kunnan katusuunnitelmassa
on esitetty hulevesijärjestelmän rakenteet, eikä erilliselle suunnitelmalle ole tarvetta.
Hulevesisuunnitelman laadinnassa on noudatettavaa samaa vuorovaikutustapaa kuin
kaavaa valmisteltaessa. Kunta hyväksyy hulevesisuunnitelman tarvittaessa. (MRL
1999).
Naapurin kiinteistöltä valuvien hulevesien aiheuttama haitta voidaan ratkaista kunnan
määräämän monijäsenisen toimielimen päätöksellä. Haitan poistamiseksi usea kiinteistö
voidaan määrätä toteuttamaan yhteisiä hulevesijärjestelyitä. (MRL 1999).
Kunta voi periä vuosittaista hulevesimaksua kattamaan hulevesijärjestelmästä kunnalle
aiheutuneita kustannuksia. Maksua voi periä hulevesijärjestelmän vaikutusalueella sijaitsevien kiinteistöjen omistajilta tai haltijoita. Vaikutusalue ei edellytä kiinteistön
konkreettista liittymistä hulevesijärjestelmään. Esimerkiksi katujen kuivatusjärjestelmät
palvelevat monia kiinteistöjä ilman liittymistä kadun kuivatusrakenteisiin. (MRL 1999).
Kunnan viranomainen osoittaa kiinteistön hulevesijärjestelmän ja kunnan hulevesijärjestelmän yhteensovittamiseksi tarpeelliset rajakohdat ja antaa hulevesien johtamiseen
liittyviä määräyksiä (MRL 1999). Hulevesiin sovelletaan maankäyttö- ja rakennuslain
mukaisia pykäliä uhkasakosta ja teettämisuhasta (182 §), tarkastusoikeudesta (183 §)
sekä muutoksenhausta (190 §).
Tulvariskien hallintaa koskevan lain (620/2010) mukaan kunta vastaa myös hulevesitulvariskien hallinnan suunnittelusta. Hulevesitulvariskien hallintaa varten kunta laatii:
·
·
·
·
alustavan arvioinnin hulevesitulvien riskeistä
tulvavaarakartat ja tulvariskikartat
nimeää merkittävät tulvariskialueet sekä
laatii ja hyväksyy nimetyille tulvariskialueille tulvariskien hallintasuunnitelman.
6
2.1.3 Kiinteistön omistajan vastuut ja velvollisuudet
Kiinteistön hulevesien hallinnasta vastaa kiinteistön omistaja tai haltija. Muodostuvat
hulevedet johdetaan kunnan hulevesijärjestelmään, jos hulevesiä ei voida hoitaa kiinteistöllä esimerkiksi imeyttämällä tai jos hulevesiä ei voida johtaa vesihuoltolaitoksen
hulevesiviemäriverkostoon. Kiinteistön omistaja tai haltija voi hakea vapautusta liittymisestä, jos hulevesistä voidaan huolehtia asianmukaisesti muilla toimenpiteillä. (MRL
1999).
Kiinteistökohtainen järjestelmä on toteutettava yhteensopivaksi kunnan hulevesijärjestelmän kanssa. Järjestelmän laitteiden ja rakenteiden on sovelluttava käyttötarkoitukseensa ja ylläpidettävä terveellisiä ja turvallisia olosuhteita. (MRL 1999).
Kiinteistön omistaja tai haltija vastaa kiinteistönsä hulevesijärjestelmästä, sen laitteistosta ja rakenteista kunnan viranomaisen osoittamaan rajakohtaan (liittymäkohtaan) asti.
Tontin tai kiinteistön omistaja ja haltija on velvollinen sallimaan hulevesisuunnitelmasta
aiheutuvien töiden suorittamisen alueellaan (MRL 1999).
2.2
Hulevesien yhteys muuhun suunnitteluun
Hulevesien hallinta on yhdistetty maankäyttö- ja rakennuslain päivityksen myötä osaksi
kaavoitusta. Pintojen ja rakenteiden kuivatus on osa teiden, katujen ja rakennusten
suunnittelua. Hulevesien tehokkaat johtamisreitit vaikuttavat hulevesivirtaaman muodon
kautta vastaanottavan uoman tai vesistön vesiolosuhteisiin. Hulevesien johtaminen pohjavesialueen ulkopuolelle vaikuttaa pohjaveden muodostumisen kautta vedenhankintaan. Koska hulevedet voivat kuljettaa mukanaan haitta-aineita, liittyvät hulevedet myös
pinta- ja pohjavesien laadulliseen suojeluun. Merkittävimpiä liittymiskohtia on esitetty
tarkemmin seuraavissa luvuissa.
2.2.1 Kaavoitus
Kunnan tehtävä on ohjata alueiden käytön suunnittelun kautta rakentamista ja luoda
edellytykset hyvälle elinympäristölle ja kestävälle kehitykselle. Kaavoituksella voidaan
muun muassa ohjata alueelle suunniteltavia toimintoja, vaikuttaa rakentamisen tehokkuuteen ja sijoittamiseen, varata alueita sekä antaa määräyksiä rakentamiselle. Kunnissa
maankäytön suunnittelusta vastaa pätevä kaavoittaja (MRL 1999).
Kaavan tulee perustua riittäviin tutkimuksiin ja selvityksiin alueelta, jolla kaavalla voidaan arvioida olevan olennaisia vaikutuksia. Kaavoituksessa on huomioitava valtioneuvoston asettamat valtakunnalliset alueidenkäyttötavoitteet, jotka ohjaavat maakuntien ja
kuntien kaavoitusta sekä valtion viranomaisten toimintaa. (MRL 1999). Valtakunnalliset alueidenkäyttötavoitteet (2008) sisältävät mm. tulvariskien hallintaan ja vesiensuojeluun liittyviä tavoitteita.
7
Kaavoituksessa on huomioitava soveltuvin osin vesienhoitosuunnitelmissa ja vesienhoidon toimenpideohjelmassa annetut ohjauskeinot, jotka voivat liittyä hulevesien johtamiseen, käsittelyn kehittämiseen sekä hulevesien hallinnan suunnitteluun. Vesienhoitosuunnitelmat ja toimenpideohjelmat ovat ELY-keskuksen valmistelemia ja valtioneuvoston hyväksymiä ohjauskeinoja pinta- ja pohjavesien hyvän tilan ylläpitämiseksi.
(Vesienhoitolaki 2004).
Hulevesien huomioiminen kaavoituksessa edellyttää valuma-aluelähtöistä tarkastelua
yleiskaavoituksesta alueiden yksityiskohtaiseen kaavoituksesta aina toteutukseen saakka
Hulevesien käsittelyn edellyttämä tilavaraus vaatii orientoitumista piha-alueiden ja viheralueiden suunnitteluun. (Tornivaara-Ruikka, 2006). Pintavesien ja virtausolosuhteiden huomioiminen ei ole uusi kaavoituksen vaatimus. Jo vuoden 1986 seutusuunnittelun
keskusliiton ohjeissa on neuvottu kartoittamaan mm. pintavedet, virtausolosuhteet, sadanta ja topografia. (Yleiskaavan sisältö ja esitystavat 2006).
Ympäristöministeriön laatimassa asemakaavamerkinnät ja -määräykset -oppaassa
(2003) ei ole annettu hulevesien hallintaan liittyviä määräyksiä tai merkintöjä. Ohjeistuksen puuttuessa kunnat ovat määritelleet itse omat hulevesien hallinnan kaavamerkintänsä (Kuntaliitto 2012).
Maakuntakaava on yleispiirteisin kaavoista. Maakuntakaavassa esitetään maakunnassa
tai sen osa-alueilla alueiden käytön ja yhdyskuntarakenteen kehittämisen periaatteet.
Maakuntakaavan tehtävänä on yhdistää valtakunnalliset alueidenkäyttötavoitteet maakunnan alue- ja yhdyskuntarakenteeseen huomioiden maakunnan omat erityspiirteet.
Maakuntakaavan laatii maakunnan liitto, sen hyväksyy maakunnan liiton liittovaltuusto
ja vahvistaa ympäristöministeriö. (MRL 1999). Maakuntakaavoituksen yhteydessä tehdään yleispiirteinen hulevesien merkityksen arviointi osana tulvien hallintaa, sekä pintaja pohjavesien tilan turvaamista (Kuntaliitto 2012).
Kunnan alueiden käytön ohjaamiseksi laaditaan yleiskaavoja ja asemakaavoja. Yleiskaavassa osoitetaan alueiden käytön pääpiirteet kunnassa. Yleiskaavassa voidaan antaa
määräyksiä (yleiskaavamääräykset) maankäytön ja rakentamisen ohjaamista varten tietyillä alueilla sekä haitallisten ympäristövaikutusten estämistä tai rajoittamista. Yleiskaavassa sovitetaan maakuntakaavassa määriteltyjä valtakunnallisia ja maakunnallisia
alueiden käytön tavoitteita kunnan omiin tavoitteisiin. Kunnan yleiskaavan tai osayleiskaavan hyväksyy kunnanvaltuusto. Useamman kunnan yhteisen yleiskaavan hyväksyy
kuntien yhteinen toimielin ja sen vahvistaa ympäristöministeriö. (MRL 1999).
Yleiskaavaa varten tehdään suunnittelun lähtökohtien ja tavoitteiden määrittämiseksi
perusselvityksiä ja kaavan toteuttamisen vaikutusselvityksiä. Selvitysten perusteella on
pystyttävä arvioimaan, ettei ehdotettu ratkaisu aiheuta merkittäviä haitallisia vaikutuksia. Yleiskaavaa varten selvitetään mm. pohjavesialueiden ominaisuudet, luonto- ja
8
maisemaselvitykset, pohjavesialueiden pilaantumisriskit, pienvesistöjen tila, tulvariskit,
hulevesien käsittelytarve. (Yleiskaavan sisältö- ja esitystavat 2006).
Kaavoitusta varten tehdään yleispiirteinen hulevesiselvitys, jossa esitetään valumaaluekohtaiset hulevesien hallinnan tavoitteet. Hulevesien johtaminen ja periaatteet hulevesien käsittelystä esitetään yleiskaavakartoissa ja kaavamääräyksissä. (Ilmastokestävän
kaupungin suunnitteluopas 2015b). Yleiskaavatasolla hulevesien hallinta tarkoittaa käytännössä tilavarauksia hulevesien käsittelyä ja johtamista varten. Yleensä hulevesialueet
merkitään osaksi viheralueita. (Kuntaliitto 2012). Oikeusvaikutteisessa osayleiskaavassa
voidaan antaa määräyksiä hulevesien hallinnalle (MRL 1999).
Asemakaavassa osoitetaan kunnan osa-alueen käytön ja rakentamisen järjestäminen.
Asemakaavaa valmistellessa tarkennetaan aiemmissa kaavoitusvaiheessa tehtyjä selvityksiä. Koska kunta vastaa asemakaava-alueella hulevesijärjestelmän toteuttamisesta
asemakaavan tarpeita vastaavasti, tulee hulevesijärjestelmien vaatimukset huomioida
kaavoituksessa. Asemakaavoituksessa esitetään hulevesien hallintajärjestelmän rakenteet ja ratkaisut. Asemakaavan hyväksyy kunnanvaltuusto (MRL 1999).
Tulvimisen vaikutuksiin voidaan vaikuttaa kaavamääräyksillä, alimmalla sallitulla rakentamiskorkeudella ja matalille alueille suunnitellun maankäytön valinnalla. Alin suositeltava rakentamiskorkeus tarkoittaa korkeustasoa, jonka alapuolelle ei tule sijoittaa
kastuessa vaurioituvia rakenteita. Esimerkki alimmasta rakentamiskorkeudesta on esitetty kuvassa 2. (Parjanne & Huokuna 2014).
Kuva 2. Alin rakentamiskorkeus sokkeliperustukselle (vasemmalla) ja maanvaraiselle
rakennukselle (oikealla). Kuvassa esitetty vedenpinnankorkeus on tulvakorkeus. (Parjanne & Huokuna 2014).
Rakentamistapaohjeessa voidaan havainnollistaa kaavan toteuttamisen keskeisiä periaatteita. Rakentamistapaohjeilla ei kuitenkaan ole oikeudellista vaikutusta. (Asemakaavamerkinnät ja -määräykset 2003). Rakentamistapaohje voi esimerkiksi sisältää kuvauksen tonttien hulevesien hallintavaihtoehdoista.
9
2.2.2 Pohjaveden ja pintavesien suojelu
Pohjaveden suojelemiseksi vesilakin (2011) on säädetty pohjaveden muuttamis- ja pilaamiskielto. Käytännössä kiellot estävät toimenpiteet, jotka vähentävät pohjaveden
muodostumista tai heikentävät sen laatua.
Pohjaveden suojelu liittyy pilaamis- ja muuttamiskiellon kautta hulevesien hallintaan.
Pohjaveden muodostuminen estyy, jos hulevedet johdetaan pois pohjaveden muodostumisalueelta. Haitta-aineita sisältävän huleveden imeytyminen maahan voi puolestaan
aiheuttaa pohjavesiesiintymän pilaantumiseen. (Kuntaliitto 2012).
Hulevedelle ei ole asetettu yleisiä laatuvaatimuksia tai -kriteerejä mikä hankaloittaa
hulevesistä aiheutuvien riskien arviointia ja hallintaa (Särkiaho & Sillanpää 2012). Valtanen et al. (2010) on kerännyt koosteen erilaisten maankäyttömuotojen hulevesien haitta-aineista (taulukko 1).
x
x
kattorakenteet
x
x
x
x
x
x
x
x
nurmialue
x
x
x
x
x
x
x
x
x
rakennustyömaa
x
x
x
x
x
x
x
asutus
Typpi
Fosfori
Sulfaatti
Rikin oksidit
Kloridi
Metallit
PAH-yhdisteet
VOC-yhdisteet
Öljyt ja hiilivedyt
Pestisidit
Koliformiset bakteerit
Kiintoaine
teollisuus
Haitta-aine
liikenne
Hulevesiin kertyviä haitta-aineita maankäyttömuodoittain. Valtanen et
al. 2010 tekemä koonti lähteistä: Massachusetts Department of Environmental Protection and Massachusettes Office of Castal Zone Management 1997, House ym. 1993, D’Arcy ym. 2000, Moy ym. 2000.
ilmakehä
Taulukko 1.
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
Yleisimpiä hulevesien sisältämiä haitta-aineita ovat kiintoaine, ravinteet ja metallit.
Suurin osa haitta-aineista on yleensä sitoutunut kiintoaineeseen. (Kuntaliitto 2012).
Pohjaveden suojelemiseksi kaavoituksen yhteydessä määritellään pinnat (esim. teollisuuskorttelit, kadut, pysäköintialueet), joilta hulevedet johdetaan pohjavesialueen ulkopuolelle pohjaveden pilaamiskiellon vuoksi. Samalla määritetään, paljonko kaavoituksen mukainen rakentaminen vähentää pohjaveden muodostumista. (Kuntaliitto 2012).
Jos vedenhankintakäyttöön soveltuvan pohjavesiesiintymän antoisuutta tai käyttökel-
10
poisuutta vähennetään oleellisesti, on hankkeella oltava AVI:n (Aluehallintovirasto)
lupa (VL 2011).
Hulevesioppaassa (Kuntaliitto 2012) on esitetty erilaisille maankäyttömuodoille hulevesien hallintaratkaisuja I- ja II-luokan pohjavesialueilla (taulukko 2). Hallintaratkaisuissa on huomioitu hulevesien mahdollinen käsittely niin ettei hulevedet aiheuta pohjaveden pilaantumista.
Taulukko 2.
Hulevesien hallintavaihtoehtoja I- ja II-luokan pohjavesialueella (Kuntaliitto 2012). Taulukossa poisjohtaminen tarkoittaa että hulevedet johdetaan pois pohjavesialueelta.
Maankäyttö
Hallintaratkaisu
Vilkkaasti liikennöity katutai tiealue
(hiekan- ja öljynerotuskaivo) + käsittely esim. biopidätysalueella
pohjavesisuojaus + hulevesien poisjohtaminen
suodatus + pohjavesisuojaus
viherkaista / suojaviheraluekäsittely
poisjohtaminen
suodatus + pohjavesisuojaus
viherkaista- / suojaviheraluekäsittely
suodatus, käsittely hulevesiaiheessa
Katu- tai tiealue,
laaja pysäköintialue
Piha, korttelimittakaavan
pysäköintialue, sivukadut
Varastojen lastausalue
(suuri haitta-aineriski)
Tori, kevyenliikenteenalue
Huoltamoiden piha
Teollisuusalue,
urheilualue
Taajaman keskusta,
asuinalue
Lumenkaatopaikka
Katot + muut ”puhtaat”
pinnat (lumi + vesi)
pohjavesisuojaus + poisjohtaminen
esikäsittely + johtaminen hulevesiviemäriin
suodatus + imeyttäminen
imeyttäminen
(esikäsittely+) pohjavesisuojaus + poisjohtaminen
esikäsittely + viemäröinti
poisjohtaminen + käsittely pv-alueen ulkopuolella
käsittely + imeytys
imeytys
käsittely
(hiekan- ja öljynerotuskaivo) + käsittely esim. biopidätysalueella
imeyttäminen
Pintavesissä hulevedet voivat aiheuttaa hetkellisen kuormituksen vuoksi akuutin laatuhäiriön. Pitkään jatkuva kuormitus aiheuttaa kroonisia vaikutuksia, kuten vesistöjen
rehevöitymistä tai samentumista. Hulevesien aiheuttamat vaikutukset ovat yleensä
kroonisia. (Valtanen et al. 2010).
Hulevesien vaikutus pienvesien kuten purojen, lampien ja pienten järvien tilaan on kasvanut hulevesivirtaamien ääri-ilmiöiden myötä. Suurilla virtaamilla uomien eroosio voi
kasvaa heikentäen rantojen rakennetta ja ekologista tilaa. Kuivina hetkinä virtaama uomassa voi olla vesieliöille liian matala. Pintavesien tilan parantamisessa pääpaino on
hulevesien kiintoaineen poistamisessa, virtaaman tasaamisessa ja luonnonmukaisen
uomaprofiilin palauttamisessa. (Kuntaliitto 2012).
11
Suomessa hulevedet johdetaan yleensä käsittelemättömänä luontoon. Hulevesien käsittelytoimenpiteet perustuvat kunnan viranomaisten harkintaan. Käsittelytarpeen arviointi
perustuu vastaanottavan vesistön ominaisuuksiin, havaittuihin tai arvioituihin haittavaikutuksiin sekä eri haittavaikutusten ehkäisemisen tärkeysjärjestykseen. Ympäristölupien
yhteydessä on voitu antaa myös hulevesiä koskevia velvoitteita. (Kuntaliitto 2012).
2.2.3 Rakentaminen
Maankäyttö- ja rakennuslaissa (1999) määritellään rakentamista koskevat yleiset edellytykset, olennaiset tekniset vaatimukset sekä rakentamisen lupamenettely ja viranomaisvalvonta. Tarkemmat säännökset ja ohjeet on koottu Suomen rakentamismääräyskokoelmaan (RakMK). Asetuksena annetut ja Suomen rakentamismääräyskokoelmaan
kootut säännökset ovat velvoittavia, mutta ministeriön antamat ohjeet eivät. Rakentamismääräyskokoelman määräykset koskevat uuden rakennuksen rakentamista. Korjausja muutostöissä määräyksiä sovelletaan tarvittaessa.
Maankäyttö- ja rakennuslain (1999) 103 §:n mukaan kiinteistön omistaja tai haltija vastaa kiinteistön hulevesien hallinnasta. Hulevedet sisältävät lain mukaan myös rakenteiden kuivatusvedet.
Ympäristöministeriön pohjarakenneasetuksen (2014) mukaan pohja- ja maarakenteet on
suunniteltava niin, että maasta rakenteisiin siirtyvän kosteuden haitalliset vaikutukset
voidaan ehkäistä, sekä välttää maan routimisesta aiheutuvat haitat ja rakenteiden vauriot. Pohjarakennesuunnitelmassa esitetään yleensä rakenteen kuivanapito. (RakMK A2
2002).
Kiinteistöjen sadevesilaitteistoista ja perustusten kuivatusvesilaitteistoista on annettu
tarkempia määräyksiä rakennusmääräyskokoelman kohdassa D1 (RakMK D1 2007).
Yleinen määräys on, että sadeveden poisto on järjestettävä kiinteistön alueella hyvin
toimivalla tavalla, eikä siitä saa aiheutua vahingon- tai tapaturmanvaaraa, tulvimista tai
muuta haittaa. Sadevesilaitteisto on mitoitettava siten, että viemäriin johdettava mitoitussadetta vastaava virtaama ei aiheuta viemärin tulvimista.
Luvanvaraisessa rakentamisessa (rakennukset, tilat) pääsuunnittelija vastaa suunnitelmien riittävästä laadusta ja laajuudesta, sekä rakentamiselle asetettujen vaatimusten
täyttymisestä. Sadevesijärjestelmien suunnittelu kuuluu vastaavan LVI-suunnittelijan
vastuualueeseen, mikäli vastuualuetta ei jaeta pienempiin osiin. Vastaava suunnittelija
huolehtii, että suunnitelmat muodostavat keskenään toimivan kokonaisuuden. (RakMK
A2 2002).
Paikallisiin olosuhteisiin soveltuvia määräyksiä rakentamisen suhteen annetaan kunnanvaltuuston hyväksymässä rakennusjärjestyksessä (MRL 1999). Rakennusjärjestyksen
määräykset voivat koskea esimerkiksi hulevesien johtamista ja käsittelyä tontilla. Ra-
12
kennusjärjestyksen määräyksiä ei sovelleta, mikäli oikeusvaikutteisessa yleiskaavassa,
asemakaavassa tai Suomen rakentamismääräyskokoelmassa asia on määrätty toisin
(MRL 1999).
Kunta vastaa katujen suunnittelusta. Katusuunnitelmassa on usein esitetty hulevesijärjestelmän rakenteet, eikä erilliselle hulevesisuunnitelmalle ole tarvetta. (MRL 1999).
Maankäyttö- ja rakennuslain (1999) mukaan kunta on vastuussa rakentamisen ohjauksesta ja valvonnasta alueellaan ja rakentamista varten on oltava rakennuslupa. Rakennuslupia on neljänlaisia: rakennuslupa, toimenpidelupa, purkamislupa ja maisematyölupa sekä näiden lisäksi ilmoitusmenettely. Lupamenettelyllä varmistetaan että hankkeessa noudatetaan rakentamisen säännöksiä ja valvotaan kaavojen toteutumista. Luvan
myötää kunnan viranomainen (MRL 1999). Rakennuslupa-asiakirjoissa vesien käsittely
ja sadevesikaivot merkitään asemapiirustukseen. (RakMK A2 2002).
2.2.4 Rakentamisen aikainen hulevesien hallinta
Rakennustyömailta purkautuvat hulevedet voivat sisältää kiintoaineen ja ravinteiden
lisäksi rakennustoiminnasta muodostuvia haitta-aineita kuten kiinteitä jätteitä, öljyjä,
rasvoja, pesuvesiä ja rakennuskemikaaleja. (EPA 833-F-00-008).
Sillanpään (2013) mukaan rakennustyön vaiheesta riippuen vedenlaatu heikkeni merkittävästi. Rakennustyömaalta huuhtoutuu aluksi enemmän kiintoaine- ja fosforikuormitusta, typpikuormituksen osuuden kasvaessa vasta myöhemmin. Pitoisuudet olivat suurimpia erityisesti kesällä tai keväällä ja auratussa lumessa. Ravinnekuormituksesta osa
on ns. lisäkuormitusta (jätevesikontaminaatio, räjäytystyöt yms.) ja osa muodostuu
maan kaivamisesta aiheutuvasta eroosiosta.
Pääosa työmaalla tehtävistä töistä edellyttää viranomaislupaa tai lausuntoa. Näissä luvissa ja lausunnoissa voidaan antaa määräyksiä myös työmaa-aikaisien hulevesien käsittelystä, johtamisesta ja laadusta. Työmaalla muodostuvien vesien hallinnasta voidaan
antaa määräyksiä kunnan rakennusjärjestyksessä. (Helsingin kaupunki 2013).
Pitkäaikaiset työmaat voivat edellyttää ympäristönsuojelulain mukaisen ympäristöluvan,
jos rakentaminen voi aiheutua vesistön pilaantumista. Maankäyttö- ja rakennuslain
(1999) mukaisia lupia ovat rakennuslupa (125 §), toimenpidelupa (126 a §) ja maisematyölupa (128 §). Muita lupia ja suostumuksia ovat esimerkiksi kaivulupa yleisellä alueella kaivamiseen, vesien johtaminen hule-, jäte- ja/tai sekaviemäriin ja suostumus vesien johtamiseksi kunnan omistamalle tontille (maaperään/ojaan). Työmaavesien käsittelysuunnitelma voidaan liittää osaksi lupahakemusta, ilmoitusta tai rakennustyömaan
työmaasuunnitelmaa.
Helsingin kaupunki (2013) on laatinut työmaavesien hallintaa varten ohjeen, johon on
koottu ohjeistusta työmaavesien käsittelyyn. Käsittelyä varten tulee mm. arvioida työ-
13
maalla muodostuvien vesien määrä ja laatu, valita käytettävät laitteistot sekä suunnitella
laitteistojen käyttö- ja huoltotoimenpiteet. Ohjeessa on annettu työmaavesille laatuvaatimukset ja esimerkkejä käsittelytavoista. Käsittelytavat on koottu taulukkoon 3.
Taulukko 3.
Esimerkkejä työmaavesien käsittelystä (Helsingin kaupunki 2013)
Poistettava aine tai ominaisuus
Käsittelymenetelmä
Kiintoaine ja siihen sitoutuneet haitta- Lasketusaltaat
aineet ja ravinteet
Viivytys
Hiekanerotus
Suodatus
Kemikaalinen saostus eli flokkaus
Märkäsykloni
Öljy
Öljynerotin
Aktiivihiilisuodatin
Muut orgaaniset yhdisteet
Aktiivihiilisuodatin
Haihtuvat orgaaniset yhdisteet (VOC)
Ilmastus + aktiivihiilisuodatin
katalyyttinen poltto
Liuenneet metallit
Saostaminen kemikaaleilla
Ultrasuodatus
Käänteisosmoosi
Alhainen tai korkea pH
pH:n säätö
Ravinteet (typpi ja fosfori)
Biologinen ja/tai kemiallinen puhdistus
(saostus, ilmastus, laskeutus)
Koska työmaavesien käsittely voi olla hankalaa toteuttaa työmaaoloissa, vedet voidaan
kuljettaa myös muualle käsiteltäväksi (Helsingin kaupunki 2013).
2.2.5 Ojitus
Ojituksella tarkoitetaan vesilain (2011) mukaan ojan tekemistä sekä ojan, noron tai puron suurentamista maan kuivattamiseksi tai alueen käyttöä muuten haittaavan veden
poisjohtamiseksi. Noron tai puron perkaaminen määritellään ojitukseksi jos perkaamisesta ei aiheudu yläpuolella olevan järven keskivedenkorkeuden alenemista.
Ojituksen luvanvaraisuus ja ilmoitukset
Ojitustoiminta vaatii aluehallintoviraston luvan, jos ojitus voi aiheuttaa pilaantumista
vesialueella. Vesialueella tarkoitetaan mitä tahansa muuten kuin tilapäisesti veden peittämää aluetta, eli pilaantumisvaara koskee myös esimerkiksi uomia ja ojia. (VL 2011).
Pilaantuminen on määritelty ympäristönsuojelulaissa (2014) ja se tarkoittaa esimerkiksi
terveyshaittaa, haittaa luonnolle ja sen toiminnoille, yleisen viihtyvyyden, kulttuuriarvojen ja virkistyskäytön vähentymistä, haittaa omaisuudelle, luonnonvarojen käytön estymistä tai muuta näihin rinnastettavaa edun loukkausta.
14
Jos ojan voidaan katsoa muuttuneen luonnontilaisen kaltaiseksi uomaksi, voi ojan kunnossapito olla luvanvaraista. Ojitus on luvanvaraista kun ruoppausmassojen määrä ylittää 500 m3. (VL 2011).
Jos ojitustoiminta ei ole luvanvaraista, hankkeesta vastaavan on ilmoitettava ojituksesta
kirjallisesti ELY-keskukselle vähintään 60 päivää ennen ojituksen alkamista. Mikäli
ojituksesta on määrätty tiesuunnitelmassa tai ratasuunnitelmassa, ojituksesta ei tarvitse
tehdä ilmoitusta. (VL 2011).
Ojitusyhteisö
Yhteistä ojitusta varten on perustettava ojitusyhteisö, kun hyödynsaajia on vähintään
kolme ja (i) ojitukseen tarvitaan lupa, (ii) sopimusta yhteisestä ojituksesta ei saada aikaan tai (iii) hyödynsaajan vaatimuksesta. Myös valvova viranomainen voi vaatia ojitusyhteisön perustamista. Ojitusyhteisön osakkaita ovat ne, jotka ojituksesta hyötyvät.
(VL 2011).
Ojitusyhteisö perustetaan ojitustoimituksessa. Toimituksessa käsitellään ojitussuunnitelma, sen toteutusedellytykset ja päätetään kustannusten jakamisesta. Ojitusyhteisö
vastaa myös ojan kunnossapidosta. Ojitusyhteisö on käytännössä ikuinen: jos ojitusyhteisö puretaan, ojat on saatettava luonnontilaisen kaltaiseen tilaan. (VL 2011).
Ojitussuunnitelma ja ojitus toisen alueella
Ojitussuunnitelma laaditaan, jos ojitus edellyttää luvan tai ojitustoimituksen päätöstä tai
ojitus on laaja. Suunnitelma sisältää tiedot hankkeesta, toteutustavasta, kuivatussyvyydestä, hyödyistä ja arvion vaikutuksista. (VL 2011).
Toisen alueella sijaitsevan ojan tai puron perkaaminen ja toisen alueelle rakennettavaa
uutta ojaa varten tulee pyytää maanomistajan lupa. Jos ko. ojitus ei vaadi ojitustoimitusta tai lupaa, kunnan ympäristönsuojeluviranomainen ratkaisee mahdolliset ristiriitatilanteet. Jos ojitus tehdään asemakaava-alueella, ojan sijoittamisesta päätetään maankäyttöja rakennuslain nojalla. (VL 2011).
Luonnonmukainen vesirakentaminen
Ojan rakentaminen tai kunnossapito voidaan toteuttaa luonnonmukaisena. Luonnonmukaisen vesirakentamisten käyttö kuivatushankkeissa mahdollistaa uoman vedenjohtokyvyn turvaamisen parantaen samalla ojien vedenlaatua. (Näreaho et al. 2006).
Luonnonmukaisissa menetelmissä uomaan palautetaan mutkittelevan linjauksen lisäksi
kapeampi osio alivirtaamaa varten, tulvatasanteita, pohjakynnyksiä ja lietekuoppia (Kuva 3). Eroosion vähentämiseksi virtausnopeutta ojassa pienennetään esimerkiksi pohjakynnyksillä. Kasvillisuudella voidaan sitoa ojan reunoja. (Näreaho et al. 2006).
15
Kuva 3. Ojituksen kehitys. Kuvassa A on luonnontilainen uoma ja B on perinteisesti
perattu uoma. Kuvassa C perattu uoma on alkanut kasvaa umpeen ja kesävirtaamaa vastaava pienempi alivirtaamauoma on muodostunut. Kuvassa D uomaa on kunnostettu luonnomukaisesti: tulvien aikaista vedenjohtokykyä on
parannettu leventämällä uomaa alivirtaamauoman yläpuolelta (tulvatasanko). Alivirtaamauoman annetaan jatkaa luontaista kehittymistään tai uoma
voidaan kaivaa mutkittelevaksi. (Näreaho et al. 2006).
2.3
Hulevesien johtaminen
Johtamisjärjestelmillä tarkoitetaan rakenteita, joilla hulevesiä kootaan ja johdetaan pois
hulevesien muodostumisalueilta. Johtamisjärjestelmät voidaan jakaa pinta- ja putkijärjestelmiin. Molemmat hulevesien johtamisjärjestelmät pyritään toteuttamaan painovoimaisesti. (Kuntaliitto 2012).
Pintajohtamisjärjestelmiä ovat avo-ojat, purot, viherpainanteet, kourut kanavat, muut
avouomat ja rummut. Putkijärjestelmät koostuvat suurimmaksi osaksi maanalaisista
putkista (hulevesiviemärit, salaojaputket), erilaisista kaivoista sekä venttiileistä, ylivuotorakenteista, pumppaamoista ja muista erikoisrakenteista. (Kuntaliitto 2012).
2.3.1 Pintajohtamismenetelmät
Pintajohtamismenetelmien tarkoituksena on hidastaa huleveden virtausta, joka mahdollistaa epäpuhtauksien laskeutumisen ja imeytymisen maaperään. Virtauksen hidastumista voidaan tehostaa kasvillisuudella ja pienellä pituuskaltevuudella. Pintajohtamisjärjestelmät soveltuvat alueille, joissa maankäyttö ja rakentaminen ovat suhteellisen väljää.
Menetelmän tulvaherkkyys on huomattavasti hulevesiviemäriä pienempi. Hulevesiä
suositellaankin johdettavaksi pintajohtamisjärjestelmissä putkijärjestelmien sijaan (Kuntaliitto 2012). Valokuvia pintajohtamismenetelmistä on kuvassa 4.
16
Kuva 4. Viherpainanne (vasemmalla) ja avo-oja (oikealla). Molemmat kuvat ovat
Vantaalta. (Ilmastonkestävä kaupunki 2015a).
Ojat ovat perinteisiä hulevesien johtamisrakenteita. Ojia voidaan käyttää hulevesien
johtamisen lisäksi rakenteiden kuivaamiseen – tämä voi edellyttää syvää ojarakennetta.
(Kuntaliitto 2012). Ojan pohjan leveys on vähintään 0,5 m, sivuluiskien kaltevuuteen
vaikuttaa maalaji ja ojan syvyys. Luiskakaltevuudet vaihtelevat 1:1…1:3 välillä. Ojan
pituuskaltevuus on vähintään 0,3 %. (InfraRYL 2009).
Ojissa virtaava vesi voi aiheuttaa voimakasta eroosiota ja sortumia. Varsinkin syvät,
jyrkkäreunaiset ojat voivat olla kaupunkikuvaa rumentavia, turvallisuutta heikentäviä ja
hankalia pitää kunnossa. (Kuntaliitto 2012).
Painanteet ovat matalia ja loivaluiskaisia hulevesien johtamisrakenteita. Matalan rakenteensa vuoksi painanteita ei ole tarkoitettu rakenteiden kuivatukseen. Painanteet ovat
yleensä nurmetettuja tai muuten verhoiltuja. Painanteen suositeltava pituuskaltevuus on
1-3 %, leveys voi vaihdella metristä kymmeniin metreihin. (Kuntaliitto 2012) Esimerkki
betonisesta painanteesta on kuvassa 5.
17
Kuva 5. Painanne betonikivistä. Betonikivien alla on 30-50 mm asennusalusta (asennushiekka tai maakostea betonimassa). Rakennekerrokset pohjarakennesuunnitelman mukaan. (Lemminkäinen 2010).
Marylandin hulevesien suunnitteluohjeessa (MDE 2000b) kasvillisuuspeitteisille painanteelle on annettu seuraavat mitoituskriteerit: (i) sivuluiskien tavoitekaltevuus on alle
1:3, (ii) 1/10 a toistuva sade ei saa aiheuttaa eroosiota, (iii) painanteen tulee tyhjentyä 48
tunnin kuluessa. Tarvittaessa rakenteen alle voidaan toteuttaa salaojitus. Ohjeistusta
vastaava poikkileikkaus on esitetty kuvassa 6.
Kuva 6. Esimerkki painanteen nurmiverhoillusta poikkileikkauksesta. Virtausnopeus ei
saa aiheuttaa eroosiota 1/10a vuoden toistuvuuden sateilla. (MDE 2000b).
Kanavat ovat linjaukseltaan suoraviivaisia, betonista tai kivestä rakennettuja avouomia.
Kanavien reunat ovat hyvin jyrkät tai pystysuoria. Tehokkaan poikkipinta-alan ja rakennetun ulkonäön ansiosta kanavia käytetään keskusta-alueilla. (Kuntaliitto 2012).
Esimerkkejä kanavarakenteesta on kuvassa 7.
18
Kuva 7. Puroa varten rakennettu kanava Espoon Leppävaarassa (vasemmalla) (Ilmastonkestävä kaupunki 2014). Poikkileikkaus katualueen reunaan rakennetusta
hulevesikanavasta (oikealla) (Hyöty et al. 2007).
Rakennetut purot ja norot voivat olla luonnonuomien kaltaisia linjaukseltaan mutkittelevia uomia. Noroja voidaan rakentamisen lisäksi muokata ojista muotoilemalla ja
linjausta muokkaamalla. Noroihin voi liittyä levennyksiä, lampia, tulvatasanteita, sekä
runsasta kasvillisuutta. Norojen pituuskaltevuus on yleensä vain muutamia prosentteja.
Pienen pituuskaltevuuden, mutkaisuuden ja kasvillisuuden vuoksi virtaus noroissa on
ojaa hitaampi. Rakennetut norot soveltuvat hulevesien pääpurkureiteiksi ja ne sijoittuvat
yleensä virkistysalueille. Ajoittaisten suurten virtaamien vuoksi noron reunat ja mahdolliset pohjan kynnykset voivat vaatia eroosiosuojausta. Alivirtausuoma tulee toteuttaa
riittävän kapeana, jotta vesisyvyys säilyisi riittävänä myös kuivina ajankohtina. (Kuntaliitto 2012).
Kouru on pienten pintavesivirtaamien johtamiseen tarkoitettu matala ja kapea painane
(kuva 8). Kouruja voidaan valmistaa betonista tai kivestä. Kouruja käytetään esimerkiksi kiinteistöjen kattovesien tai pysäköintialueen hulevesien johtamiseen viheralueille.
Kouruja voidaan varustaa ritiläkansilla, jolloin kourun yläpinnasta tulee tasainen. (Kuntaliitto 2012).
19
Kuva 8. Esimerkkejä kouruista. Betoninen vesikouru (vasemmalla) (Rudus 2015) Kourun asennusohjeet (oikealla)(Lemminkäinen 2010).
2.3.2 Hulevesiverkosto
Hulevesiverkosto suunnitellaan keräämään sadevedet tehokkaasti kuivatettavilta pinnoilta. Hulevesiverkosto koostuu maanalaisista putki- ja kaivorakenteista. Verkoston
rakenne on esitetty kuvassa 9.
Kuva 9. Hulevesiviemäriverkoston rakenne. Muokattu Karttunen et al. 2004.
Hulevesi johdetaan verkostoon sakkapesällisten hulevesikaivojen kautta. Kaivot ovat
yleensä muovia tai betonia. (Liikennevirasto 2013). Sakkapesä kerää hulevesien mukana tulevan kiintoaineen, muuten kiintoaine voi sedimentoitua viemäriin ja pienentää
viemärin välityskykyä (Kuntaliitto 2012). Asfalttialueilla kaivoja sijoitetaan vähintään
yksi 600…800 m2:lle. Tiealueilla kaivoja sijoitetaan veden virtaussuunnassa vähintään
100 m välein. (Liikennevirasto 2013).
20
Hulevesikaivoista vesi johdetaan yhdys- eli viiksijohtoja pitkin verkostoon tarkastuskaivon tai -putken kautta (Kuntaliitto 2012). Tarkastuskaivoja rakennetaan putkien haaraumiin, linjan vaaka- ja pystytaitteisiin, sekä katusuunnitelman edellyttämiin kohtiin
kuten jyrkkiin alusrakenteen muutoskohtiin. Tarkastuskaivoja on verkostossa 50…100
metrin välein. Myös tarkastuskaivoissa on lietepesät. (Liikennevirasto 2013). Esimerkkejä kaivorakenteista on kuvassa 10.
Kuva 10. Esimerkki muovisesta hulevesikaivosta (vasemmalla), tarkastuskaivosta (keskellä) ja tarkastusputkesta (oikealla) (InfraRYL 2009).
Suositeltu virtausnopeus hulevesilinjoissa on 1…5 m/s. Tätä suuremmilla virtausnopeuksilla putkimateriaali alkaa kulua. (Kuntaliitto 2012). Hulevesiviemärin asennussyvyyteen (etäisyys maanpinnasta putken pohjaan) vaikuttavat routaraja, maaperä, lumipeitteen paksuus ja lämpöeristys. (Liikennevirasto 2013).
Hulevesiverkosto mitoitetaan johtamaan vain tavanomaiset sateet. Mitoitusta suuremmilla rankkasateilla järjestelmä saa tulvia. Rakenteiden ja rakennusten suunnittelussa
tulee ottaa huomioon hulevesijärjestelmän sallittu tulvimiskorkeus eli padotuskorkeus.
Padotuskorkeus määritellään liitoskohtalausunnossa ja se on usein 10 cm liittymiskohdan maanpinnan tason yläpuolella. Ylivuotoja varten verkostoon voidaan rakentaa ylivuotokynnys, joiden kautta tulvivat vedet johdetaan hallitusti pois verkostosta (Kuntaliitto 2012).
Hulevesijärjestelmissä voi olla pumppaamoita. Pumppaamoissa on yleensä kaksi pumppua, joista toinen on varapumppu. Pumppaamot liitetään kaukovalvontaan. Myös
pumppaamoiden mitoituksessa sallitaan lyhytaikainen tulviminen pumppaamon ympäristöön. (Kuntaliitto 2012).
21
2.3.3 Salaojat ja suotosalaojat
Salaojat ja suotosalaojat ovat maan sisäisiä ojia, jotka keräävät vettä koko pituudeltaan.
Rakenteiden kuivattamiseen edellytys on, että sala- tai suoto-ojalla on vettä läpäisevä
yhteys kuivattavaan kohteeseen. (Liikennevirasto 2013).
Mikäli salaoja kerää pohjavesiä, putki ei saa jäätyä talvella. Suurin jäätymisriski on
yleensä imeytyskohdan ja purkuaukon välillä. Imeytystä suunnittelussa on estettävä
salaojan yläpuolisen suotautumistien jäätyminen. (Liikennevirasto 2013).
Suoto-oja rakennetaan sorasta, kivistä tai sepelistä ja suodatinkankaasta (InfraRYL
2009). Suoto-ojia käytetään yleensä alle 100 m matkoilla, kun pituuskaltevuus on vähintään 2 %. (Liikennevirasto 2013). Suotosalaojien rakenne on esitetty kuvassa 11.
Kuva 11. Suotosalaojan poikkileikkauksia (InfraRYL 2009).
Salaojat rakennetaan yleensä 100 mm reijitetystä salaojaputkesta (Liikennevirasto
2013). Salaojaputki asennetaan 0,4 % vähimmäiskaltevuuteen ja salaojan ympärystäyttö
tehdään salaojahiekasta, -sorasta tai -sepelistä. (InfraRYL 2009). Salaojat sijoitetaan
haluttuun kuivatussyvyyteen, ellei jäätymistukosten vaara tai muu syy vaadi tätä suurempaa syvyyttä (Liikennevirasto 2013). Putkisalaojan poikkileikkauksia on esitetty
kuvassa 12.
Kuva 12. Pohjavesiä keräävän putkisalaojan (vasemmalla) ja pintavesiä keräävä putkisalaoja (oikealla) poikkileikkaus (InfraRYL 2009).
22
Salaojiin rakennetaan lietepesällisiä lietekaivoja vähintään 50 m välein (InfraRYL
2009). Salaojavedet puretaan sadevesiviemäriin, ojaan tai hulevesien viivytysrakenteeseen, kuten kosteikkoon tai laskeutusaltaaseen. Salaojavesiä ei kannata purkaa yleiseen
avo-ojaan juuri ennen rumpua, koska rumpu voi jäätyä talvella umpeen. Esimerkiksi
peltosalaojan kokoojaoja kannattaa johtaa tien alitse omassa putkessa, jolloin avo-ojan
rumpua ei joudu sijoittamaan salaojan määräämään syvyyteen. (Liikennevirasto 2013).
2.4
Viivytysrakenteet
Viivytysrakenteiden tarkoituksena on hidastaa ja tasata hulevesivirtaamaa. Rakenne
tasaa lähtevää virtaamaa, kun sateilla veden tulovirtaama on suurempi kuin lähtövirtaama. (EPA 821-R-99-012, Kuntaliitto 2012). Viivytysmenetelmät voidaan karkeasti luokitella painanteisiin, lammikoihin, kosteikkoihin, rakennettuihin altaisiin ja kaivantoihin. Näistä kosteikoissa, lammikoissa ja altaissa on tyypillisesti pysyvä vesipinta. (Kuntaliitto 2012). Kosteikkoja ja lammikkoja on käsitelty tarkemmin luvussa 2.6.
Veden virtausta rakenteesta voidaan säädellä padolla. Pohjapadossa eli ylisyöksypadossa vesi purkautuu patorakenteen korkeimman kohdan (patokannaksen) yli. Pintapadossa
vesi kuljetetaan putkessa padon korkeimman kohdan alapuolelta. Purkurakenteita voi
olla useampia: tavanomaista virtaamaa ja tulvavirtaamaa varten. Veden poisto tapahtuu
viivytysrakenteen pinnalta, jotta pohjalle laskeutunut kiintoaine ei lähde liikkeelle. (Hagelberg 2012).
Erillisten viivytysrakenteiden lisäksi avouomien virtaamaa voidaan hidastaa ja viivyttää
rakentamalla uoman pohjalle pohjapatoja tai -kynnyksiä. (Kuntaliitto 2012). Esimerkkejä patorakenteista on kuvassa 13.
Kuva 13. Luonnonkivestä tehty pohjapato (vasemmalla), sekä vanerilevystä ja kivistä
rakennettu pohjapato valtaojassa (oikealla) (Hagelberg et al. 2012).
23
Viivytysmenetelmillä voidaan parantaa huleveden laatua, kun kiintoaine ja siihen sitoutuneet epäpuhtaudet laskeutuvat virtausnopeuden pienentyessä. Viivytysmenetelmiin
liittyy yleensä kasvillisuutta, joka tehostaa puhdistusvaikutusta sitomalla ravinteita ja
hidastamalla virtaamaa. (EPA 821-R-99-012, Kuntaliitto 2012).
Viivytyspainanne on matala ja loivaluiskainen syvennys. Painanne on usein kasvillisuuden peittämä, tai painanteen verhoilussa voidaan käyttää esimerkiksi kiviaineksia.
Painanteen pohjaan rakennetaan yleensä pohjapato, purkuputki tai purkuaukko, jota
pitkin viivytetty vesimäärä voi hitaasti tyhjentää. Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää suotopatoa, joka on karkeasta maa-aineksesta tehty patorakenne, jonka läpi vesi voi suotautua. Padon korkeuden tulisi olla enintään noin puolet painanteen kokonaissyvyydestä.
(EPA 821-R-99-012, Kuntaliitto 2012). Havainnepiirustus viivytyspainanteesta on esitetty kuvassa 14.
Kuva 14. Havainnepiirros painanteesta ja viivytysalueesta (MDE 2000a).
Rakennetut altaat ovat betonista tai kivestä rakennettuja hulevesien viivyttämistä varten tarkoitettuja vesialtaita. Altaat voidaan tehdä ulkonäöltään myös lammikoiden kaltaisiksi. Mikäli altaassa pyritään säilyttämään pysyvää vesipintaa, tulee allas rakentaa
vesitiiviisti. Altaiden vesisyvyys on yleensä matala, vain muutamia kymmeniä senttimetrejä. (Kuntaliitto 2012).
Viivytyskaivannot ovat maanalaisia hulevesien viivytysrakenteita kuten tunneleita,
putkia, säiliöitä tai kasettirakenteita. Esimerkkejä viivytyskaivannoista on kuvassa 15.
Hulevedet johdetaan kaivantoon hulevesiviemäreillä tai salaojilla. Maanalaiset rakenteet
soveltuvat tiiviisti rakennetuille kaupunkialueilla, joissa maanpäällisille ratkaisuille ei
ole tilaa. (EPA 821-R-99-012, Kuntaliitto 2012).
24
Kuva 15. Esimerkkejä viivytyskaivannoista. StormTech®-hulevesitunneli (vasemmalla)
(RT 38572 2014), kiinteistökohtainen hulevesien viivytyssäiliö (oikealla) (PipeLife 2014).
Viivytysrakenteet tulee varustaa ylivuotoreitillä sekä kunnossapitotöitä varten tyhjennysputkella. Viivytystilavuuden tulee tyhjentyä viimeistään vuorokauden kuluttua täyttymisestä, jotta tilavuus on käytettävissä seuraavan rankkasateen sattuessa. (Kuntaliitto
2012).
Huleveden viivytysrakennetta ei kannata mitoittaa varmuuden vuoksi liian suurina. Suurille virtaamille rakennettu järjestelmä ei välttämättä viivytä tavanomaisilla sateilla
muodostuvia virtaamia, eikä sillä ole välttämättä haluttua suojavaikutusta tavanomaisen
sateen aiheuttamaan eroosioon. (Kuntaliitto 2012).
2.5
Imeytys- ja suodatusrakenteet
Imeyttämisen tavoitteena on imeyttää pintavalunnaksi muodostunut hulevesi takaisin
maaperään ja estää pohjaveden pinnan aleneminen. Huleveden suotautuessa maakerrosten läpi vesi puhdistuu maaperän fysikaalisten, kemiallisten ja biologisten ominaisuuksien ansiosta. Alueilla, joilla maalajit ovat läpäiseviä ja vedet hyvälaatuisia, hulevedet
voidaan imeyttää suoraan maahan. (EPA 821-R-99-012, Kuntaliitto 2012).
Imeytysrakenne voidaan myös salaojittaa, mikäli maaperän vedenläpäisykyky ei ole
riittävä. Salaojitustason alapuolelle tulee jättää riittävä varastotilavuus imeytettävälle
vedelle. Pohjavesialueilla, sekä heikosti vettä läpäisevällä maaperällä hulevedet voidaan
suodattaa. Huleveden puhdistuminen perustuu samoihin mekanismeihin kuin imeyttämisessä. Suodatusrakenteen pohja voi olla eristetty maasta ja hulevedet kerätään rakenteen pohjalta salaojilla. (Kuntaliitto 2012).
Kuvassa 16 on esitetty imeyttävä järjestelmä suodattava järjestelmä ja näiden yhdistelmä.
25
Kuva 16. Imeyttävä järjestelmä (vasemmalla), suodattava ja viivyttävä järjestelmä
(keskellä) ja näiden yhdistelmä (oikealla) (Kling et al. 2015).
2.5.1 Imeytysrakenteet
Imeytys on tehokkain tapa hallita hulevesiä, koska se vähentää huleveden muodostumista (EPA 821-R-99-012, Kuntaliitto 2012). Imeytysmenetelmiä vodaan toteuttaa hajautettuna järjestelmänä (esim. kiinteistökohtainen imeytys) tai keskitettynä ratkaisuna,
jolloin yhdessä kohdassa imeytetään laajemmalta alueelta muodostuvia hulevesiä. Imeytysrakenteista on tarkasteltu kahta päätyyppiä: imeytyskaivantoja ja imeytyspainanteita.
(Kuntaliitto 2012). Esimerkkejä imeytysrakenteista on koottu kuvaan 17.
Imeytyskaivannoissa hulevedet johdetaan pinnalta avoimeen kaivantoon, joka on täytetty karkealla kiviaineksella tai muulla huokoisella materiaalilla kuten muovikennostoilla. Kaivantoon johdettu vesi varastoituu täytemateriaalin huokostilaan ja imeytyy
hiljalleen ympäröivään maaperään. (Kuntaliitto 2012).
Hulevedet johdetaan maanalaiseen imeytyskaivantoon hulevesiviemäreillä tai salaojilla.
Imeytyskaivannot tulee varustaa esikäsittelyllä kiintoaineen poistamiseksi, koska kiintoaine voi tukkia rakenteen. Sopivia esikäsittelymenetelmiä ovat hiekanerotuskaivo,
pintavalutuskaista tai tasausallas. Imeytyskaivannot varustetaan tarkkailuputkella vedenpinnan seuraamiseksi ja ylivuoto- tai ohivirtausjärjestelmällä. (Kuntaliitto 2012).
26
Kuva 17. Esimerkkejä imeytysrakenteista. Tyyppikuva imeytyskaivosta (vasemmalla
ylhäällä) (InfraRYL 2009). Kuva hulevesikasettijärjestelmästä (oikealla ylhäällä) ja tunnelirakenteesta (alhaalla vasemmalla) (Uponor 2013). Havainnepiirros imeytyspainanteesta (oikealla alhaalla) (MDE 2000a).
Imeytyspainanteet ovat kasvillisuuden peittämiä painanteita, joihin hulevedet johdetaan pintavaluntana. Painanne voi olla maavarainen tai painanteen pohjaksi on voitu
rakentaa kasvukerros ja karkeasta kiviaineesta imeytyskerros. Painannemaisen muotonsa vuoksi hulevedet voivat lammikoitua, eli rakenteella on myös viivyttäviä ominaisuuksia. (EPA 821-R-99-012, Kuntaliitto 2012). Vesikerroksen paksuus painanteissa on
korkeintaan 10-25 cm. Painanteen viivytystilavuuden tulee tyhjentyä viimeistään vuorokauden kuluttua täyttymisestä. (Kuntaliitto 2012).
2.5.2 Suodatusrakenteet
Suodatusrakenteissa hulevedet johdetaan väliaineen läpi, joka pidättää vedestä epäpuhtauksia suodatuskerroksen pinnalle ja väliaineeseen. Suodattamalla hulevesistä saadaan
poistettua haitta-aineita ja tasattua virtaamia. Suodatinrakenteet muistuttavat päällisiltä
kerroksiltaan imeytysrakenteita, erona on rakenteen pohjalle asennettu salaoja, joka
johtaa suodatetun veden eteenpäin. Tarvittaessa suodattimelle voidaan tehdä tiivis pohjarakenne, joka estää suodatetun veden pääsyn pohjaveteen. (Kuntaliitto 2012).
Yksinkertaisimmat suodatusjärjestelmät ovat kasvillisuutta hyödyntäviä pintavalutuskaistoja tai viherpainanteita, joissa vesi suodattuu kasvillisuuden ja kasvukerroksen läpi.
27
Painanteessa suodatukseen osallistuu pinnan kasvillisuus sekä alempi suodatuskerros.
(EPA 821-R-99-012, Kuntaliitto 2012).
Liikenneviraston ohjeessa teiden ja ratojen kuivatuksen suunnittelu (2013) maanteiden
hulevesien yhtenä käsittelymenetelmänä esitettiin kaksikerroksinen sivuoja (kuva 18).
Tavanomaiset sateet suodattuvat ojan pohjan läpi. Puhdistunut vesi voidaan imeyttää
maahan tai johtaa salaojassa purkuvesistöön. Suuremmilla virtaamilla vesi ei ehdi imeytyä vaan se johdetaan ojan pintaa pitkin eteenpäin. Ratkaisun etuna on, ettei se välttämättä vaadi tavanomaista leveämpää sivuojaa.
Kuva 18. Kaksikerroksisen sivuoja leikkaus- ja pengerrakenteessa. (Liikennevirasto
2013).
2.5.3 Biopidätysalueet
Lievästi likaantuneet vedet voidaan käsitellä biopidätysalueilla, joissa puhdistusvaikutusta tehostetaan kasvillisuudella, humuspitoisella pintamaalla ja hiekkakerroksella,
johon on sekoitettu savea. Biopidätysalueella kiintoaine suodattuu rakenteen pintaan,
liukoiset haitta-aineet pidättyvät biologisesti aktiiviseen pintamaahan tai juuristoon tai
kemiallisesti aktiiviseen saviainekseen. Biopidätysalue voidaan toteuttaa imeyttävänä
tai suodattavana. (EPA 821-R-99-012, Kuntaliitto 2012). Esimerkki biopidätysalueen
toteutuksesta on kuvassa 19.
28
Kuva 19. Esimerkki biopidätysalueen rakenteesta pysäköintialueen vieressä (MDE
2000a).
Kasvien valinnassa tulee huomioida olosuhteet: vaihteleva vesimäärä, metallien ja ravinteiden pidätyskyky. Rakenne toteutetaan painannemaisena, johon vesi voi tilapäisesti
lammikoitua. Tämä lisää rakenteen varastotilavuutta. (EPA 821-R-99-012) Esimerkki
biopidätysalueen rakenteista on esitetty kuvassa 20.
Kuva 20. Esimerkki biopidätysalueen rakennekerroksista (Särkiaho & Sillanpää 2012).
Biopidätysalueita voidaan rakentaa mm. pysäköintialueiden välisaarekkeisiin tai viereen
ja rakennusten läheisyyteen (Kuntaliitto 2012).
2.5.4 Läpäisevät päällysteet
Läpäisevässä päällysteessä päällystemateriaali tai materiaalin saumat ovat vettäläpäisevät. Satava vesi pääsee pintakerroksen läpi karkeasta kiviaineksesta valmistettuun rakennekerrokseen. Vesi varastoituu hetkellisesti kiviaineksen huokostilaan, josta vesi
joko imeytyy maaperään tai josta se kerätään salaojilla eteenpäin johdettavaksi. Lä-
29
päisevät päällysteet parantavat huleveden laatua pidättämällä kiintoainetta. (Kling et al.
2015).
Läpäisevien päällysteiden yleisimpiä pintoja tai pintamateriaaleja ovat (i) päällystekivet
tai -laatat, (ii) avoin asfaltti ja (iii) läpäisevä betoni. Myös vettä läpäisevällä kiviaineksella täytettävät kennostot voivat toimia päällystemateriaalina. Oman ryhmänsä muodostavat nk. nurmikivet ja muut vastaavat viherratkaisut. Esimerkkejä läpäisevistä päälysteistä on kuvassa 21. Suomessa läpäisevien päällysteiden pintamateriaaleille ei ole
kaikilta osin vakiintunutta laadunvalvontamenetelmää tai hyväksyntämenettelyä. (Kling
et al. 2015).
Kuva 21. Esimerkkejä läpäisevien päällysteiden pintamateriaaleista: noppakiveys (ylhäällä vasemmalla), seulanpääkiveys (ylhäällä oikealla), golfkiveys (alhaalla
vasemmalla) ja louhikiveys (alhaalla oikealla). (Rudus Oy 2015).
Läpäiseviä päällysteitä voidaan käyttää esimerkiksi pysäköintialueilla, kevyenliikenteenväylillä ja torialuilla. Päällysteet eivät kestä raskasta liikennettä, joka rajoittaa niiden hyödyntämistä. (EPA 821-R-99-012).
2.6
Lammikko ja kosteikot
Lammikko on huleveden viivytystä varten rakennettu pienikokoinen allas. Lammikon
pysyvä vesisyvyys on noin 1 m ja maksimissaan vettä on noin 2,5 m. Kosteikossa vesisyvyys on vain muutamia kymmeniä senttimetrejä ja siinä on lammikkoa monipuoli-
30
sempi kasvillisuus. Matalan vesisyvyyden vuoksi kosteikko vaatii paljon tilaa. (Kuntaliitto 2012). Esimerkki toteutetusta lammikosta ja kosteikosta on esitetty kuvassa 22 ja
esimerkki rakenteista kuvissa 23 ja 24.
Kuva 22. Valokuva lammesta (vasemmalla) ja kosteikosta (oikealla) (Ilmastonkestävän
kaupungin suunnitteluopas 2015a).
Kuva 23. Esimerkki lammikon rakenteesta (MDE 2000a).
31
Kuva 24. Esimerkki kosteikon rakenteesta (MDE 2000a).
Lammikon ja kosteikon puhdistusteho perustuu (i) laskeutukseen, (ii) epäpuhtauksien
sitoutumiseen kasvillisuuteen sekä (iii) mikro-organismien avulla tapahtuvaan epäpuhtauksien hajotukseen. Lammen puhdistusteho vaihtelee keskinkertaisesta hyvään. Kosteikon puhdistusteho on yleensä lammikkoa parempi, koska kosteikko voi pidättää liukoisia ravinteita kasvukauden aikana. (EPA 821-R-99-012, Kuntaliitto 2012).
Molempien rakenteiden alkuun suositellaan tasausallasta, johon helposti laskeutuva
kiintoainekuormitus laskeutuu. Tämä vähentää rakenteiden ylläpitokustannuksia. Huollon vuoksi lammikon pohjaan rakennetaan tyhjennysputki, jolla pysyvän veden alue
saadaan tarvittaessa tyhjennetyksi. Tämä vähentää kunnossapitotöitä. (EPA 821-R-99012, Kuntaliitto 2012).
2.7
Öljynerotuskaivot
Rakennusmääräyskokoelman D1 (2007) mukaan huoltoasemalta, öljyn varasto- tai liikennöintialueelta, pysäköintialueilta ja erityisalueilta muodostuvat hulevedet tulee käsitellä öljynerottimilla. Öljynerottimen luokkaan vaikuttaa hulevesien purkupaikka (taulukko 4).
Taulukko 4.
Öljynerottimen luokka hulevesille (RakMK D1 2007). Taulukossa
I=luokan I erotin, II on luokan II erotin ja IIb on luokan II erotin bypass ohituksella.
Huleveden muodostumisalue
Huoltoasema
Öljyn varasto ja liikennöintialueet tms.
Pysäköintialue, (erityisalueet)
purku jätevedenpuhdistamolle
purku muualle
II
II/IIB
II/IIB
I
I
I
32
Öljynerottimen lietetilan vähimmäistilavuus esimerkiksi pysäköintialueilta ja huoltoasemien piha-alueilta (kattamaton) on vähintään 600 dm3. Tilavuus lasketaan erottimen
nimellisvirtaaman NS [dm3/s] ja öljyn tiheyskertoimen fd välisellä suhteella 200 NS/fd.
(RakMK D1 2007). Esimerkkejä erilaisista öljynerotusjärjestelmästä on kuvassa 25.
Kuva 25. Esimerkki öljynerottimista: luokan I öljynerotin NS20-150 (vasemmalla), luokan I öljynerotin NS3-10 (keskellä) ja luokan II öljynerotin (oikealla) (Wavin
Labko 2015).
2.8
Kasvillisuus
Kasvillisuudella on merkittävä rooli hulevesijärjestelmissä. Kasvillisuus vähentää muodostuvan huleveden määrää (haihdunta ja veden käyttö), suojaa maaperää ja pintoja
veden kuluttavalta vaikutukselta ja vähentää eroosiota. Lisäksi kasvillisuus puhdistaa
hulevesiä (pidättää ja sitoo ravinteita) sekä tehostaa hulevesirakenteissa tapahtuvia fysikaalisia ja kemiallisia puhdistusprosesseja esimerkiksi hidastamalla virtaamaa. (EPA
821-R-99-012, Kuntaliitto 2012).
Biosuodatus- ja imeytysalueilla kasvillisuus edistää veden imeytymistä maaperään ylläpitäen maakerroksen huokoisuutta ja läpäisevyyttä. Kasvillisuudella on myös eettisiä,
virkistyksellisiä, sosiaalisia ja ekologisia vaikutuksia. Yleensä rehevä, monilajinen ja
kerroksellinen kasvillisuus pidättää ja puhdistaa hulevesiä tehokkaimmin. Monilajinen
kasvillisuus kestää paremmin vaihtelevia olosuhteita ja puhdistaa monipuolisemmin
haitta-aineita. (EPA 821-R-99-012, Kuntaliitto 2012).
2.9
Tulviminen ja tulvareitit
Tulvimista tapahtuu, kun muodostuva hulevesimäärä ylittää vastaanottavan järjestelmän
kapasiteetin (kuva 26). Vesi voi tulvia pinnoilla viemärijärjestelmän tulojärjestelyiden
kapasiteetin ylittyessä, jolloin pinnoille kertynyt vesi ei pääse kaivorakenteita pitkin
viemäriin vaikka viemärissä olisi tilaa. Viemärin kapasiteetin ylittyessä vesi tulvii kaivoja pitkin ylös pinnoille, joista ne on jo kerran johdettu viemäriin. (Mark et al. 2004).
33
Hulevesirakenteisiin on voinut myös kertyä sedimenttiä, kasvillisuutta, jäätä tai roskia,
jotka estävät huleveden virtaaman suunnitellusti.
Hulevesijärjestelmien tulviminen on sallittua. Rakennusmääräyskokoelman D1 (2007)
mukaan sade- ja sekaviemäröinnissä padotuskorkeutena pidetään yleensä kadun pintaa
+100 mm tonttiviemärin liitoskohdassa (kuva 26).
Kuva 26. Tulviminen voi aiheutua liian pienestä tulorakenteista (vasemmalla) tai hulevesiviemärin kapasiteetin ylittymisestä (keskellä) (Mark et al. 2004). Sallittu
padotuskorkeus +100 mm (oikealla).
Ilmatieteenlaitos on tutkinut ukkoskuurojen aiheuttamia äkillisten tulvien vaikutuksia
taajamissa ja kaupungeissa. 100 mm ja 140 mm sateiden vaikutukset on koottu taulukkoon 5 (Ilmatieteenlaitos 2015).
Taulukko 5.
Äkkitulvien vaikutuksia Suomessa 100mm ja 140 mm sateilla (Ilmatieteenlaitos 2015).
100 mm rankkasade
140 mm rankkasade
Viemäriverkko täyttyy vuotovesistä, vesi
nousee kaduille ja rakennuksiin
Sadevesi tulvii rakennusten kellareihin ja
pohjakerroksiin
Sadevesi kertyy matalimmille katuosuuksille
kuten siltojen alituksiin
Tulviva vesi voi siirtää kaivojen kansia
Sadevettä ja viemärivettä on tulvinut rakennuksiin
Suurelle määrälle rakennuksia vahinkoja
Hissikuiluihin voi kertyä vettä
Useita katuja joudutaan sulkemaan, jolloin
osa rakennuksista on motissa
Tulvavedet saartavat rakennuksia
Jäteveden mukana leviää taudinaiheuttajia
Tierakenteet voivat romahtaa ja sorapintaiset
tiet kärsivät vaurioita.
Sillat voivat jäädä veden alle
Alikulkukäytävät tulvivat
Autojen moottorit voivat sammua jos ne ajetaan syvään veteen
Em. sateet ylittävät hulevesijärjestelmän kapasiteetin, jolloin vedet valuvat pintoja pitkin matalille alueille. Sademäärän kasvu 100 mm:stä 140 mm:iin kasvattaa huomattavasti sateesta aiheutuvia haitallisia vaikutuksia.
Tulvareittien tarkoituksena on johtaa tulvivat hulevedet pois alueilta, joilla tulvavesistä
aiheutuu vahinkoa. Ilmastonmuutos ja sademäärän kasvu tulevat korostamaan tulvareit-
34
tisuunnittelun tarvetta, koska mitoitusta suurempia sadetapahtumia tulee aina esiintymään. Hulevesijärjestelmien suunnittelun yhteydessä tulisikin paneutua tarkemmin tulvareitteihin ja niiden toimivuuteen. (Kuntaliitto 2012).
Tulvareittitarkastelussa selvitetään huleveden kulkureitit hulevesien tavanomaisten johtamisjärjestelmien kapasiteetin ylityttyä. Tarkastelu alkaa muodostumisalueelta ja jatkuu purkuvesistöön tai alueelle, jossa tulvavedet eivät aiheuta haittaa. (Kuntaliitto
2012).
Valuma-alueelle tulee laatia tulvareittitarkastelu osana maankäytön suunnittelua, mielellään osayleiskaavatasolla. Suunnittelussa tulee ottaa huomioon suurien vesimäärien ja
virtaamien aiheuttamat vaikutukset, kuten eroosiohaitat tulvareiteillä ja rantavyöhykkeillä, sekä veden laadun heikkeneminen. Tulvavirtaamat tulisi johtaa mahdollisuuksien
mukaan vesistön sijasta virtaamia tasaaville tulva-alueille. (Kuntaliitto 2012).
Yleensä merkittävimmät tulvariskit liittyvät suuria virtaamia johtaviin hulevesiviemäriverkoston pää- ja runkolinjoihin. Riskikohteita voivat olla myös katuja tai viheralueita
alempana sijaitsevat tontit, alikulut jne. (Kuntaliitto 2012).
35
3. HULEVESIEN HALLINNAN
TÄNNÖT SUOMESSA
MITOITUSKÄY-
Hulevesijärjestelmien mitoitusperusteena on valuma-alueella valitulla todennäköisyydellä tapahtuva sade- tai sulamistapahtuma. (Kuntaliitto 2012) Taajamatulvien kannalta
lumikerroksen merkitys jää yleensä vähäiseksi. Lunta suuremman riskin muodostaa jää,
joka tukkii kaivojen kannet aiheuttaen paikallisia tulvia. (Aaltonen et al. 2008).
Hulevesijärjestelmien mitoitus on riskinarviointia. Mitoitukseen vaikuttavat tulvariskin
todennäköisyys eli mitoitussateen toistuvuus ja tulvasta aiheutuvat seuraukset. Mitä
merkittävämmästä maankäyttömuodosta (esim. pääliikenneväylät, sairaalat) tai vaikutuksista (kustannuksista) on kyse, sitä harvinaisemmalle sadetapahtumalle alueen kuivatus mitoitetaan. (Liikennevirasto 2013). Esimerkiksi hulevesiviemärijärjestelmät mitoitetaan sateelle, jonka toistuvuus on kerran 2-3 vuodessa, tulvareittien mitoitussateen
toistuvuus voi olla 100-200 vuotta (Kuntaliitto 2012).
Hulevesijärjestelmien mitoitukseen annetaan ohjeita Kuntaliiton julkaisemassa hulevesioppaassa (2012) ja Liikenneviraston ohjeessa (2013) Teiden ja ratojen kuivatuksen
suunnittelu. Mitoitusvirtaaman muodostuminen rankkasateella on esitetty luvussa 3.1,
johtamisjärjestelmien mitoitus luvussa 3.2 ja viivytystilavuuden laskenta luvussa 3.3.
Mitoitus mallintamalla on esitetty luvussa 5.
3.1
Mitoitusvirtaama
Liikenneviraston ohjeen (2013) mukaan hulevesivirtaama määräytyy rankkasateen perusteella alle 10 ha valuma-alueilla maankäyttötavasta riippumatta. Rakennetuilla ja
viemäröidyillä alueilla rankkasade on lähes aina merkittävin hulevesivirtaaman aiheuttaja.
Kuntaliiton (2012) hulevesioppaan ja liikenneviraston ohjeen (2013) mukaan rankkasateen aiheuttama mitoitusvirtaama lasketaan valuma-alueen pinta-alan, sateen intensiteetin ja valumakertoimen perusteella kaavalla 1.
Q = C ∙ i ∙ A
(1)
jossa Q on mitoitusvirtaama, C on valumakerroin [-], A on valuma-alueen pinta-ala [ha]
ja i on mitoitussateen keskimääräinen intensiteetti [l/s*ha].
36
3.1.1 Mitoitussade
Mitoitussateen avulla määritetään suurin vesimäärä tai virtaama, joka järjestelmän on
pystyttävä hallitsemaan. Mitoitussateella on kolme määräävää ominaisuutta: (i) kesto,
(ii) rankkuus eli intensiteetti ja (iii) toistuvuus eli todennäköisyys sadetapahtuman esiintymiselle. Mitoituksessa sateen intensiteetti oletetaan vakioksi. (Kuntaliitto 2012, Liikennevirasto 2013).
Mitoitussateen kesto valitaan niin, että valuma-alueen reunoille satanut vesi ehtii purkautumiskohtaan. Valuma-alueen koon kasvaessa sateen kesto pitenee ja sen rankkuus
pienenee. Taulukkoon 6 on koottu alun perin Tielaitoksen (1993) antamat ohjeelliset
mitoitussateen kestoajat, joita käytetään sekä Kuntaliiton (2012) että Liikenneviraston
(2013) ohjeessa. Toisinaan suurimman mitoitusvirtaaman voi aiheuttaa tarkastelupistettä lähimmän osavaluma-alueen virtaama, jonka vuoksi muodostuvia virtaamia tulee
tarkastella myös osavaluma-alueittain (Kuntaliitto 2012). Esimerkiksi lähellä purkupistettä sijaitsevalta laajalta pysäköintialueelta saattaa muodostua suurempi virtaamapiikki
lyhytkestoisella rankkasateella kuin koko valuma-alueelta.
Taulukko 6.
Mitoitussateen ohjeellinen kesto valuma-alueen pinta-alan perusteella
(Tielaitos 1993, Kuntaliitto 2012, Liikennevirasto 2013).
Valuma-alueen pinta-ala [ha]
<2
2…5
5…20
20…100
Mitoitussateen kesto [min]
5
10
20
60
Mitoitussateen kestoa voidaan arvioida myös virtausreitin virtausnopeuden perusteella.
Taulukkoon 7 on kerätty ohjeelliset virtausnopeudet eri johtamistavoille. Virtausreitti
vaikuttaa huomattavasti huleveden kulkeutumisaikaan. Veden virtausnopeus putkessa
on selvästi ojaa tai maastoa suurempi. (Kuntaliitto 2012).
Taulukko 7.
Virtausreitti
Putket, pienet
Putket, suuret
Ojat
Maasto
Ohjeellinen virtausnopeus (Kuntaliitto 2012).
Ohjeellinen virtausnopeus [m/s]
1,5
1,0
0,5
0,1
Sateen rankkuuden valintaan vaikuttaa sateen toistuvuus eli kuinka usein mitoituksessa käytetty sade esiintyy. (Liikennevirasto 2013). Ilmastonmuutoksen on arvioitu kasvattavan suurimpia sademääriä noin 20 % (Aaltonen et al. 2008). Hulevesioppaan mukaan toistuvuuden sijasta sateen esiintymistodennäköisyys tulisi esittää prosentteina
(Kuntaliitto 2012).
37
Liikenneviraston ohjeen (2013) mukainen sateen rankkuus valitaan nomogrammista
(kuva 27) Nomogrammissa toistumisaika on esitetty vuosina ja sateen rankkuuden yksikkö on l/s*ha.
Kuva 27. Rankkasateen voimakkuus Suomessa (Liikennevirasto 2013).
Rankkasateet ja taajamatulvat (RATU) -hankkeessa laadittujen säätutka-aineistojen perusteella on laadittu Hulevesioppaassa esitetyt taulukot mitoitussateille nykytilanteessa
(taulukko 8). Taulukossa 9 on huomioitu kasvihuoneilmiön vaikutus.
Taulukko 8.
Toistuvuus
1/1a
1/2a
1/3a
1/5a
1/10a
Sateen keskimääräinen inteinsiteetti (l/s*ha) eri mittaisilla sadetapahtumilla. Mitoitus perustuu säätutkamittauksiin keskimäärin 1km2 aluesadannalle Etelä-Suomessa. (Kuntaliitto 2012).
5 min
117
167
183
217
233
10 min
80
120
130
150
180
15 min
78
100
111
122
156
30 min
50
61
72
83
100
1h
33
42
47
53
64
3h
18
21
23
25
30
6h
11
13
14
16
19
12 h
6,9
8,3
8,8
9,7
10,9
24 h
4,2
5,0
5,2
5,8
6,9
38
Taulukko 9.
Toistuvuus
1/1a
1/2a
1/3a
1/5a
1/10a
Sateen keskimääräinen inteinsiteetti (l/s*ha) keskimäärin 1km2 aluesadannalle ottaen huomioon ilmastonmuutoksen arvioitu vaikutus. (Kuntaliitto 2012).
5 min
140
200
220
260
280
10 min
96
144
156
180
216
15 min
94
120
133
146
187
30 min
60
73
86
100
120
1h
40
50
56,4
64
77
3h
22
25
28
30
36
6h
13
16
17
19
23
12 h
8,3
10,0
10,6
11,6
13,1
24 h
5,0
6,0
6,2
7,0
8,3
Ilmastonmuutoksen vaikutus tulee huomioida suunnittelussa. Huomiointi tarkoittaa ensisijaisesti järjestelmän toimivuuden tarkastelua normaalia mitoitusta harvemmin toistuvalla sadetapahtumalla – ei tilavuuden tai välityskyvyn automaattista kasvattamista.
(Kuntaliitto 2012).
3.1.2 Valumakerroin
Valumakerroin kuvaa sadannan ja pintavalunnan välistä suhdetta. Valumakertoimen
arvo vaihtelee 0-1 välillä. Täysin läpäisemättömän pinnan valuntakerroin on 1. Taulukossa 10 on esitetty Liikenneviraston ohjeen (2013) ja kuntaliiton hulevesioppaan mukaiset valumakertoimet. Kertoimet ovat julkaistu Tielaitoksen ohjeessa (1993).
Taulukko 10.
Valumakertoimet erilaisille pinnoille (Tielaitos 1993, Kuntaliitto 2012,
Liikennevirasto 2013).
Pinta
Katto
Asfalttipäällyste
Soratie, soraluiska
Tien nurmetettu luiska
Nurmipintainen piha, puisto
Niitty, pelto, puutarha
Suo
Kumpuileva sekametsä
Tasainen metsämaasto
Tasainen sorakenttä
Avoin kalliomaasto
Valumakerroin C
0,8…1,0
0,7…0,9
0,2…0,5
0,4…0,6
0,1…0,4
0,1…0,3
0,05…0,15
0,05…0,2
0,1
0…0,05
0,3…0,5
Valumakertoimeen vaikuttaa pinnan vedenläpäisevyyden lisäksi pinnan sileys, alueen
kosteusvajaus ennen sateen alkua, sateen kesto ja rankkuus. Valumakertoimen arvo ei
ole vakio vaan se vaihtelee sateen aikana. Pinnoille annettuja pienempiä valumakertoimia käytetään lyhytaikaisissa sateissa, kun maa on sula. Pieniä arvoja käytetään myös,
jos alueen kaltevuus on pieni, ja pinta sisältää notkoja tai muita epätasaisuuksia, jotka
hidastavat veden valumista ja mahdollistaa veden imeytymistä maahan. Varsinkin metsässä valumakertoimen arvot voivat vaihdella paljon. (Liikennevirasto 2013). Kuntalii-
39
ton hulevesioppaassa ohjeistetaan käyttämään pienempiä valumakertoimia mitoitettaessa usein toistuvia sateita (Kuntaliitto 2012).
Kuntaliiton (2012) ja Liikenneviraston (2013) ohjeen mukaan valuma-alueen keskimääräinen valumakerroin lasketaan pinta-alojen mukaan painotettuna keskiarvona.
3.2
Hulevesien johtamisjärjestelmät
Mitoitusvirtaaman määrityksen jälkeen mitoitetaan rakenne, jolla mitoitusvirtaama saadaan johdettua eteenpäin. Luvuissa 3.2.1-3.2.3 käydään läpi avouomien, rumpujen ja
hulevesiviemäreiden mitoitusperiaatteet.
Kiinteistökohtaisten järjestelmien mitoitus poikkeaa yleisten alueiden hulevesijärjestelmien mitoituksesta. Mitoitus perustuu rakennusmääräyskokoelmaan ja se käydään läpi
omana kohtana (luku 3.2.4).
3.2.1 Ojat ja painanteet
Hydrologinen mitoitus tehdään merkittäville avouomille, kuten kanaville, kivetetyille
painanteille sekä teiden ja ratojen sivuojille. Katujen ja pienten valuma-alueiden (alle
1000…2000 m2) ojien ja painanteiden muoto ja syvyys eivät yleensä määräydy hydrologisen mitoituksen perusteella. (Kuntaliitto 2012).
Tien sivuojan syvyys mitoitetaan vedenjakajalla ja purkukohdassa. Sivuojan syvyyteen
ja muotoiluun vaikuttaa mm. tien luokitus. Sivuojan pituuskaltevuuden tulisi olla vähintään 0,4 %, poikkeustapauksissa vähintään 0,1 %. Suurilla pituuskaltevuuksilla oja voi
tarvita eroosiosuojausta. (Liikennevirasto 2013).
Laskuojat ovat pelloilta, metsiltä ja soilta tulevia ojia. Laskuojan koko tulee tarkistaa
hydraulisesti valuma-alueen ylittäessä 20 ha. Laskuojan pituuskaltevuuden tavoitearvo
on noin 0,4 %. Tasaisessa maastossa pituuskaltevuus voi olla tätä pienempi. Loivassa
maastossa rummun jälkeisen ojan alku (20 m) tehdään jyrkkänä (0,5…1 %) rummun
tukkeutumisen estämiseksi. Laskuojan kokoa säädellään pohjan leveydellä. Pohjan vähimmäisleveys on 0,5 m. (Liikennevirasto 2013).
Hydraulisella mitoituksella (kaava 2) tarkistetaan että uoman koko on riittävä virtaavalle
vesimäärälle. (Liikennevirasto 2013, Tielaitos 1993, Hooli & Pohjamo 1990).
Q =
×
/
× /
(2)
jossa Q on virtaama [m3/s], A on uomassa olevan vesikerroksen poikkipinta-ala [m2], R
on hydraulinen säde [m], J on uoman pituuskaltevuus ja n on uoman seinämän karkeuskerroin. Hydraulinen säde R esitetään veden poikkipinta-alan A ja märkäpiirin p välise-
40
nä suhteena R = A/p. Märkäpiiri on veden ja poikkileikkauksen seinämän kosketuspinnan pituus. Märkäpiiri ja veden poikkipinta-ala on esitetty kuvassa 28. Liikenneviraston
ohjeen (2013) mukaiset avouoman karkeuskertoimet on esitetty taulukossa 11.
Kuva 28. Vesikerroksen poikkipinta-ala A ja märkäpiiri p (Hooli & Pohjamo 1990).
Taulukko 11.
Avouoman hydraulisen virtaaman määrityksessä käytettävät Manningin
hankauskertoimet (Liikennevirasto 2013, Tielaitos 1993).
Avouoman pintamateriaali
Sora ja hiekka
Savi ja siltti
Tasainen ruoholuiska
Epätasainen ruoholuiska
Luonnonuoma, paljon kasvillisuutta
Asfalttipinta
Betonikouru
Karkeuskerroin n
0,02…0,03
0,025…0,04
0,04…0,07
0,07…0,12
0,08…0,15
0,013…0,016
0,013…0,018
Eroosiosuojauksen tarvetta voi arvioida uoman pintamateriaalin ja virtausnopeuden perusteella. Virtausnopeus v [m/s] voidaan laskea virtaaman Q [m3/s] ja veden poikkipinta-alan A [m2] perusteella v = Q/A. Taulukkoon 12 on koottu suurimpia suositeltuja
virtausnopeuksia eri uomamateriaaleille (Pajula & Järvenpää 2007).
Taulukko 12.
Erilaatuisten uomien suurimmat sallitut keskimääräiset virtausnopeudet
(Pajula & Järvenpää 2007).
Maalaji tai uoman verhousmateriaali
Siltti, liejusavi
Hieno hiekkamaa
Konsolidoitumaton savimaa, maatunut turve
Karkea hiekkamaa
Hieno soramaa
Raaka turvemaa
Karkea soramaa
Konsolidoitunut lihava savimaa
Tiivis moreenimaa
Kivikko
Hyvin juurtunut nurmi
Betoniverhous
Vmax [m/s]
0,30
0,35
0,40
0,45
0,60
0,70
0,80
1,15
1,20
1,50
1,80
4,00
41
3.2.2 Rummut
Tie tai ratarakenne ylittää ojan tai muun pienen vesiuoman rummun avulla. Halkaisijaltaan alle 2 metriset rakenteet luokitellaan rummuiksi, yli kaksimetriset rakenteet ovat
siltoja. (Liikennevirasto 2013, Tielaitos 1993).
Mitoitussateen toistuvuudelle on annettu liikenneviraston ohjeessa (2013) ohjeellisia
tavoite- ja minimiarvoja. Mitoitussateen valintaan vaikuttavat rummun yläpuolinen
maankäyttö ja rummun ylittävän väylän tärkeys. Kun rummun ylävirranpuolella on taajama, merkittäviä rakenteita tai rakennuksia, mitoitussateen toistuvuutena käytetään
1/100a. Mikäli tulvauhan alla on erityisen arvokkaita asuinrakennuksia, sairaaloita, hoitolaitoksia tai vaikeasti evakoitavia kohteita, mitoitussateen toistuvuutena käytetään
1/250a.
Rummun yläpuolisen väylän vaikutukset sateen toistuvuustiheyksiin on esitetty taulukossa 13. Tavoitearvoa pienempi mitoitus voi tulla kyseeseen, mikäli vaikutukset rakennuskustannuksiin ovat huomattavat, ympäristön kannalta rakenteet muodostuisivat
mahdottomiksi, eikä vedenpinnan noususta muodostuvat riskit ole suuria. (Liikennevirasto 2013).
Taulukko 13.
Mitoitussateen ohjeelliset tavoite- ja minimitoistuvuudet rummun mitoituksessa (Liikennevirasto 2013).
Rummun ylittävä väylä
Rautatie, moottoritie
Valta- tai kantatie, ei varareittiä
Valta- tai kantatie, on tulvariskitön varareitti
Taajaman pääväylä
Seututie
Yhdystie
Yksityistie
Mitoitussateen toistuvuus
Tavoite
Minimi
1/100
1/100
1/20
1/20
1/10
1/5
1/2
1/100
1/10
1/5
1/5
1/5
1/2
1/1
Rummun minimikoko määräytyy yleensä kunnossapitonäkökohtien mukaan. Minimikoot tien tai liittymätyypin mukaan on esitetty taulukossa 14. (Liikennevirasto 2013).
Taulukko 14.
Rummun minimikoko tien tai liittymätyypin mukaan (Liikennevirasto
2013).
Tien tai liittymän tyyppi
Rautatie
Kaksiajorataisen tien alitus
Valta- ja kantatien alitus
Kapean (rummun pituus ≤ 10 m) yhdystien alitus
Liittymä, rummun pituus > 8 m tai liittyvä tie on maantie
Liittymä, rummun pituus ≤ 8 m
*sisähalkaisija, johon sallitaan 10 % alitus
Drumpu [mm]*
800
800
600
400
400
300
42
Rumpu kaventaa yleensä ojan tai uoman poikkileikkausta aiheuttaen padotusta ylävirran
puolelle ja lisää virtauksen nopeutta. Ojien mitoituspadotukset ovat 20…150 mm riippuen maankäytöstä ja uoman kaltevuudesta (taulukko 15). Padotuksen mitoitusarvoilla
pyritään estämään virtausnopeuden kasvamisesta aiheutuva syöpyminen.
Taulukko 15.
Mitoituspadotuksen enimmäismäärä (m) uoman koon, kaltevuuden ja
maankäytön perusteella (pelto, taajama tai merkittävä rakennus/metsämaa tai luonnonalueet) (Liikennevirasto 2013)
Uoman koko
Oja
Puro
< 0,2
0,5
0,02/0,02
0,01/0,02
0,02/0,03
0,02/0,03
Kaltevuus m/km
1
2
0,03/0,04
0,03/0,04
0,04/0,06
0,04/0,05
5
>10
0,06/0,08
0,05/0,07
0,10/0,15
0,05/0,10
Sallittu mitoituspadotus on metsämailla ja luonnonalueilla suurempi kuin peltojen, taajamien tai merkittävien rakennusten kohdalla. Pienillä kaltevuuksilla sallittu padotuskorkeus on muutamia senttejä. Sallittu padotuskorkeus kasvaa kaltevuuden mukaan.
Liikenneviraston (2013) ja Tielaitoksen (1993) ohjeen mukaan sallittu padotuskorkeus h
[m] rummun yläpäässä lasketaan kaavalla (3).
h = D ×
×
−
(3)
jossa g on painovoiman kiihtyvyys 9,81 m/s2, Q on mitoitusvirtaama [m3/s], Ar on rummun virtausala [m2] mitoitusvirtaamalla ilman padotusta ja Au on yläpuolisen uoman
virtausala [m2] mitoitusvirtaamalla kun padotuksen oletettu suuruus huomioidaan. Padotuskerroin D [-] ja vastuskerroin k [-] valitaan taulukosta 16 aukkosuhteen Ar/Au perusteella.
Taulukko 16.
Aukkosuhde
Ar/Au
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
Padotuskerroin D ja vastustuskerroin k aukkosuhteen (Ar/Au) perusteella esitettynä 2 m3/s ja 10 m3/s virtaamilla (Liikennevirasto 2013, Tielaitos 1993).
Padotuskerroin
D
0,79
0,72
0,65
0,58
0,51
0,43
0,34
Vastustuskerroin k
Q = 2 m3/s
Q = 10 m3/s
0,67
0,70
0,73
0,77
0,80
0,83
0,86
0,71
0,74
0,77
0,81
0,84
0,87
0,90
Liettymisen estämiseksi rummun jälkeiseen ojaan rakennetaan yleensä lieteallas, eli
rummun laskuaukko sijaitsee 0,2 m ojan pohjan yläpuolella. Liettymisvaaran vuoksi
rumpu tulisi rakentaa 0,5-1 % pituuskaltevuuteen. Ylisuuri kaltevuus (1-5 %) vähentää
43
liettymisen lisäksi myös jäätymistukoksia. Liittymien kohdalla rummun pituuskaltevuus
on sama kuin sivuojalla. (Liikennevirasto 2013).
Rummun tukkeutumista varsinkin pienemmillä pituuskaltevuuksilla voidaan vähentää
rakentamalla rummun jälkeinen laskuoja keskimääräistä jyrkempään pituuskaltevuuteen. Jyrkemmäksi osaksi riittää noin 20 metrin matka 0,5…1 % pituuskaltevuudella.
(Liikennevirasto 2013).
Rummun korkeussijainnin valintaan vaikuttaa rummun yläpuolisen maaston ojitustarve ja tulevat ojitushankkeet. Roudan syvyys ei vaikuta rummun sijoituskorkeuteen.
(Liikennevirasto 2013).
3.2.3 Hulevesiviemärit
Hulevesioppaan mukaan hulevesiviemäri mitoitetaan johtamaan mitoitussateen mukainen virtaama ilman padotusta. Mitoitussateen toistuvuus vaihtelee 1/2a…1/10a välillä,
yleensä käytetään kerran 2-3 vuodessa esiintyvää rankkasadetta. Tätä intensiivisemmät
sateet aiheuttavat hulevesiverkoston tulvimisen, mikä on sallittua. (Kuntaliitto 2012).
Liikenneviraston ohjeessa (2013) sadevesiviemärin mitoituksessa sateen toistuvuuden
tavoitearvo on 1/10a, miniminarvon ollessa 1/5a.
Hulevesiviemärin mitoituksessa huomioidaan tulevan 20-40 vuoden aikana valumaalueelle suunniteltu rakentamisesta aiheutuva virtaamalisäys, sekä ilmastonmuutoksen
vaikutus. Hulevesiviemärin putkikoon mitoitus tehdään nomogrammeilla. Nomogrammi
osoittaa täyden putken välityskyvyn tietyllä halkaisijalla ja kaltevuudella. Hulevesiviemäreiden ohjeellisena arvona putken karkeudelle eli virtausvastukselle voidaan
käyttää Colebrookin arvoa k=1,0 (kuva 29) tai Hazen-Williamsin arvoa C=120. (Kuntaliitto 2012). Colebrookin karkeuskertoimen arvo 1,0 vastaa vanhan teräsputken tai vanhan valurautaputken karkeuskerrointa. Hazen-Williamsin arvo 120 vastaa betoniputkea
tai 5 vuotta vanhan valurautaputken karkeuskerrointa. (Karttunen & Tuhkanen 2003).
44
Kuva 29. Hulevesiviemärin mitoitusnomogrammi k = 1,0 (Karttunen & Tuhkanen 2003,
RIL 237-2-2010).
Taulukkoon 17 on koottu hulevesiviemärin pienimmät ja suurimmat suositeltavat minimikaltevuudet putkikoottain. Ohjeellisena suurimpana virtausnopeuden arvona voidaan
käyttää 5 m/s. (Kuntaliitto 2012).
Taulukko 17.
Putkikoko
[mm]
Pienimmät ja suurimmat kaltevuudet hulevesiviemärille (Kuntaliitto
2012).
Suositeltava minimikaltevuus
[‰]
Suositeltava maksimikaltevuus
[‰]
4,5
3,0
2,5
2,0
1,6
1,0
1,0
1,0
120
70
50
40
30
20
15
10
200
300
400
500
600
800
1200
1600
3.2.4 Kiinteistökohtaiset järjestelmät
Kiinteistöjen sadevesilaitteistojen mitoitus on esitetty rakennusmääräyskokoelmassa D1
(2007). Mitoitusvirtaama lasketaan kaavalla (4).
q = q (k A + k A + ⋯ + k A )
(4)
45
jossa qs on mitoitussade [dm3/s/m2], k1, k2, kn… ovat osa-alueiden valumiskertoimia ja An
on valuma-alueen osan pinta-ala [m2] vaakasuoralle pinnalle projisoituna.
Mitoitussateena käytetään yleensä 0,015 dm3/s/m2. Tulvimisen haitallisuudesta riippuen
ja paikallisen viranomaisen luvalla mitoitussateena voidaan käyttää arvoja
0,010…0,020 dm3/s/m2. Valumiskerroin tiiviille päällysteille on 1 (katto asfaltti, betoni
yms.), sorapäällysteille 0,7 ja päällystämättömille pinnoille sekä nurmikolle 0,3.
(RakMK D1 2007).
Viettona toimivan sadevesiviemärin putkikoko määritetään rakennusmääräyskokoelmassa esitettyjen nomogrammien perusteella. Kiinteistön alueella hulevesiviemärit rakennetaan 10 ‰ vähimmäiskaltevuuteen. Maahan sijoitettavan sadevesiviemärin pienin
koko on DN 70 ja sadevesikaivosta lähtevän viemärin DN 100. (RakMK D1 2007).
3.3
Hulevesien määrällinen ja laadullinen hallinta
Hulevesioppaan (2012) ohjeellisten mitoitusperiaatteiden mukaan huleveden käsittelyjärjestelmät mitoitetaan pysäyttämään ja käsittelemään 80 % vuosittaisista sadetapahtumista. Ohjeelliset mitoitusperusteet hajautetuille ja keskitetyille määrällisille hallintajärjestelmille on esitetty taulukossa 18.
Taulukko 18.
Kuntaliiton hulevesioppaan (2012) ohjeelliset mitoitusperusteet hulevesien määrälliselle hallinnalle.
Mitoitussade
Hajautettu hallintajärjestelmä
Keskitetty hallintajärjestelmä
Sateen todennäköisyys
Sateen toistuvuus
Sadetapahtuma
20 %
1/5 a
10 min
10 mm
kiinteistö- tai korttelikohtainen
rakenne kuten viivytys- tai imeytyspainanne
10-33 %
1/3-1/10 a
pinta-alasta riippuen
Esimerkki rakenteesta
viheralueella sijaitseva viivytysallas tai lampi
Kiinteistö tai korttelikohtaiset viivytysratkaisut mitoitetaan 10 min rankkasateelle, jonka
aikana sataa vettä noin 10 mm. Mitoitussade toistuu kerran viidessä vuodessa. Keskitetyissä järjestelmissä mitoitussateen valintaan vaikuttaa tulvimisen aiheuttamien riskien
vaikutukset. Ohjeellinen toistuvuus mitoitussateelle on kerran 3-10 vuodessa. (Kuntaliitto 2012).
3.3.1 Viivytysrakenteet
Hulevesien viivytyksellä pyritään pitämään alueelta purkautuva hulevesivirtaama nykyisellä tasolla. Kuntaliiton (2012) ohjeessa muodostuva hulevesimäärä lasketaan kaavalla (5).
46
=
∙∙ ∙
(5)
jossa V on viivytystilavuus [m3], C on valumakerroin, i on mitoitussateen keskimääräinen intensiteetti [l/s/ha], A on valuma-alueen pinta-ala [ha] ja t on mitoitussateen kestoaika [s]. Yleensä oletuksena on, että nykytilannetta vastaavalla valumakertoimella laskettu vesimäärää ei viivytetä, jolloin viivytystarve Vmit voidaan laskea suunnitellun tilanteen ja nykytilanteen viivytystilavuuksien erotuksena V mit = Vsuunniteltu – Vnykytilanne.
Viivytysrakenteiden tulee tyhjentyä yleensä vuorokauden kuluessa viivytystilan täyttymisestä. Suurten viivytysrakenteiden ja imeytysrakenteiden tulisi tyhjentyä 48 tunnin
kuluessa. (Kuntaliitto 2012).
Kaikki viivytysrakenteet on varustettava ylivuodolla ja tyhjennysmekanismilla. Järjestelmien mitoituksessa on huomioitava, että viivytysrakenteen läpi johdetaan rakentamista edeltänyt tavanomainen virtaama. (Kuntaliitto 2012).
3.3.2 Maanpäällisen viivytysrakenteen mitoitus
Maanpäällisten viivytysmenetelmien keskimääräinen pinta-alatarve AL [m2] lasketaan
viivytystilavuuden Vmit [m3] ja vesikerroksen paksuuden hl [m] perusteella AL = Vmit / hl.
(Kuntaliitto 2012).
Viivytyspainanteessa vesikerroksen ohjeellinen suositussyvyys on 10-25 cm, rakennetuissa altaissa ja kosteikoissa muutamia kymmeniä senttimetrejä. Lammissa vaihtelevan
vesikerroksen paksuus on suurimmillaan 1,5 m. Maanpäällistä viivytystilavuutta voidaan hyödyntää myös imeytyspainanteen lammikoitumistilan mitoituksessa. (Kuntaliitto
2012).
3.3.3 Veden viivytys huokostilassa
Imeytys- ja suodatusrakenteissa vettä varastoituu karkearakeisen materiaalin huokostilaan. Vettä varastoivan kerroksen paksuus voidaan mitoittaa kaavalla (6).
h=
(6)
jossa h on kerrospaksuus, Vmit on mitoitusvesimäärä kuutioina [m3], Ap on alueen pintaala [m2] ja n on materiaalin huokostilavuus. (Kuntaliitto 2012).
Mikäli maa-aineksen vedenläpäisevyyskerroin on noin 1×10-5 ja rakenne ulottuu routarajan alapuolelle, maa-aines ei jäädy umpeen talvella ja rakenne on käytettävissä talvisateiden aikana. Salaojituksella voidaan ehkäistä rakenteen jäätymistä ja nopeuttaa
tyhjenemistä. (Kuntaliitto 2012).
47
Imeytys- ja suodatuskerroksen vedenläpäisevyyskertoimella k=1×10-6 voidaan käsitellä
1 m3 hulevesitilavuus 10 m2 pinta-alalla niin, että rakenne tyhjentyy vuorokaudessa.
(Kuntaliitto 2012).
3.4
Tulvareitti
Normaalin hulevesijärjestelmän mitoituksen ylityttyä hulevedet johdetaan tulvareittiä
pitkin alueille, jossa purkautuvista tulvavesistä ei ole haittaa. Tulvareitti voi muodostua
esimerkiksi reunakivetystä ajoradasta ja viheralueiden ojista ja painanteista. Tulvareitit
ja mahdolliset tulvasuojelurakenteet suositellaan mitoitettavaksi 0,5…1 % todennäköisyydelle eli kerran 100:ssa tai 200 vuodessa tapahtuvalle sadetapahtumalle. Hyväksyttävä tulvimisen toistuvuus määräytyy kohteen riskitasosta. (Kuntaliitto 2012).
Tulvareitin mitoituksessa ei yleensä voida huomioida kaikkia ympäristönäkökohtia.
Tulvareittien suunnittelussa tulee kuitenkin huomioida suurien vesimäärien ja virtaamien aiheuttamat vaikutukset kuten eroosiohaitat sekä veden laadun heikkeneminen. (Kuntaliitto 2012).
Kiinteistöjen suunnittelussa tulee huomioida sallittu padotuskorkeus. Rakennusmääräyskokoelman D1 (2007) mukaan sade- ja sekaviemäröinnissä padotuskorkeutena pidetään yleensä kadun pintaa +100 mm tonttiviemärin liitoskohdassa. Ympäristön rakenteiden ja tasausten suunnittelussa tulee huomioida veden nousu padotuskorkeuteen niin,
ettei vedestä aiheudu haittaa. (Kuntaliitto 2012).
Taulukossa 19 on esitetty 100 vuoden toistuvuudella esiintyviä sateita Etelä-, Keski- ja
Pohjois-Suomessa tunnin ja vuorokauden sadantana. (Suomen ympäristökeskus 2010).
Taulukko 19.
Valumaalueen koko
Etelä-, Keski- ja Pohjois-Suomen sadannat kerran 100 vuodessa toistuville sateille erikokoisilla valuma-alueilla (Suomen ympäristökeskus
2010).
Etelä-Suomi
(n. 60 – 62°N)
Keski-Suomi
(n. 62 – 64 °N)
Pohjois-Suomi
(n. 64 – 70 °N)
1h
1 vrk
1h
1 vrk
1h
1 vrk
Pistearvo
37 mm
90 mm
36 mm
85 mm
34 mm
80 mm
1 km²
35 mm
86 mm
34 mm
84 mm
32 mm
80 mm
10 km²
30 mm
83 mm
29 mm
81 mm
27 mm
77 mm
100 km²
22 mm
78 mm
21 mm
75 mm
19 mm
71 mm
1000 km²
13 mm
64 mm
13 mm
62 mm
13 mm
58 mm
48
3.5
Vaihtoehto viralliselle mitoitusohjeistukselle
Suomessa taajama-alueiden hulevesien muodostumiseen ja hallintaan liittyvää tutkimusta on tehty vähän. Käytetyt menetelmät hulevesien määrän ja laadun arvioimiseen perustuvat ulkomaisiin tutkimuksiin, joissa maaperän ja ilmaston olosuhteet voivat olla
huomattavasti erilaiset Suomen olosuhteisiin verrattuna. Sillanpään (2013) mukaan valuntakertoimet suomalaisissa mitoitusoppaissa ovat korkeita usein toistuville sadetapahtumille.
Sillanpää (2013) on tutkinut mm. valuma-alueen rakentumisen vaikutusta alueelta välittömästi purkautuvan hulevesivirtaaman muotoon (instant unit hydrograh IUH). Hulevesien määrän ja muodon tuloksia esitettiin valumakertoimina: (i) C vol kuvaa keskimääräistä valumakerrointa, (ii) Cvol,max kuvaa huippuvirtaaman valuntakerrointa. Tutkimukset on tehty viiden vuoden aikana kolmelle asuinalueelle Espoossa: pientalo- ja kerrostaloalueelle sekä rakennettavalle asuinalueelle.
TIA (total impervious area) kuvaa läpäisemättömien pintojen osuutta (katot, tiet, parkkipaikat yms.) valuma-alueesta. EIA (effective impervious area) kuvaa kuivatusjärjestelmään hydraulisesti yhdistettyä osaa läpäisemättömästä pinnasta. EIA:n osuus TIA:sta
on asuinalueilla 50-80 %. Keskusta-alueella, teollisuusalueilla ja muilla vahvasti läpäisemättömillä alueilla EIA:n osuus on 80-90 % TIA:sta. EIA:n ja TIA:n välinen suhde
on esitetty kuvassa 30. Keskimääräiset ja huippuvalumakertoimet TIA:n ja EIA:n suhteen on esitetty kuvassa 31.
Kuva 30. EIA:n ja TIA:n välinen suhde (Sillanpää 2013).
49
Kuva 31. Valuma-alueen minimi, keskiarvo ja maksimi valumakertoimet TIA:n (ylhäällä) ja EIA:n (alhaalla) suhteen. Mustat ympyrät kuvaavat Sillanpään tutkimustuloksia ja valkoiset ympyrät Melasen ja Laukkasen (1981) tuloksia. (Sillanpää 2013).
Keskimääräinen valuntakerroin Cvol korreloi hyvin sekä EIA:n että TIA:n suhteen.
Huippuvirtaaman tuottava valumakerroin Cvol,max voi olla moninkertainen keskimääräisen valumakertoimeen Cvol verrattuna (Sillanpää 2013).
Sillanpää (2013) määritti valuma-alueille valumakertoimet erilaisissa sadetilanteissa ja
arvoja verrattiin Suomen mitoitusohjeisiin. Vertailun tulokset on esitetty kuvassa 32.
50
Kuva 32. Valumakertointen vertailu valuma-alueittain. Manual 1 valumakerroin on
laskettu Karttunen et al. (2004) mukaan ja Manual 2 on Tielaitoksen (1993)
mukainen mitoitus jota käytetään Kuntaliiton hulevesioppaassa (2012). Hulevesioppaan mukaiselle ohjeistukselle laskettiin valumakertoimen vaihteluväli.
Kuvassa valkoiset symbolit pohjautuvat mittaustietoon, harmaat ovat kirjallisuusarvoja. (Sillanpää 2013).
Havaitut valumakertoimet usein toistuvilla sateilla ovat huomattavasti mitoitusohjeistuksen mukaisia kertoimia pienempiä. Hulevesioppaan mukaisilla maksimiarvoilla
päästiin samansuuruisiin tuloksiin kuin havaitut maksimikertoimet. Mitoitusohjeistus
soveltuu siis paremmin tulvan vaikutusten arviointiin kuin tavanomaisten sateiden viivytystarpeen arviointiin. (Sillanpää 2013).
Sillanpää havaitsi sateen määrässä kynnysarvon (17-20 mm), joka vaikutti muodostuvaan hulevesimäärään. Kynnysarvoa pienemmillä sadetapahtumilla hulevesimäärä
muodostui lähinnä EIA-alueilta. Sademäärän ylittäessä kynnysarvon, valunnan määrä
kasvaa huomattavasti, kun valuntaa alkaa muodostua myös valuma-alueen läpäiseviltä
pinnoilta. (Sillanpää 2013).
Tutkimuksen aikaisista sadetapahtumista 80 % jäi havaitun kynnysarvon alapuolelle.
Kaupungistumisen vaikutukset olivat suhteellisesti suurimpia tavanomaisilla sateilla.
Valuma-alueen rakentuminen yhdenmukaisti valuma-alueelta purkautuvan hulevesivirtaaman muotoa, kasvatti alueelta purkautuvaa huippuvirtaamaa ja nopeutti purkautumisaikaa valuma-alueelta. (Sillanpää 2013).
Sillanpään tutkimusten perusteella kaupungistumisen aiheuttamia hydrologisia ja vedenlaadullisia vaikutuksia pystytään estämään ja lieventämään kohdentamalla hulevesien
imeytys, viivytys ja käsittely tavanomaisiin sadetapahtumiin (sademäärä <16 mm), joka
vastaa noin 80 % sadetapahtumista. Valuntakerroin saadaan määrittämällä valumaalueen EIA. EIA voidaan määrittää TIA:n ja kuvan 30 kaavan perusteella. Kynnysarvoa
suuremmilla sadetapahtumilla muodostuvat hulevedet hallitaan tulvareittisuunnittelun
51
avulla. Tulvareittisuunnittelussa voidaan käyttää nykyisiä valumakertoimia. (Sillanpää
2013).
Taulukkoon 20 on koottu 5-60 minuutin sadetapahtumissa muodostuvat sademäärät
hulevesioppaan (Kuntaliitto 2012) mukaisilla sateen intensiteeteillä.
Taulukko 20.
Hulevesioppaan mukaisten mitoitussateiden sademäärät (mm). Sadetapahtumat joissa sademäärä on yli 16 mm on lihavoitu. Taulukossa k on
sadetapahtuma, jossa on huomioitu kasvihuoneilmiön vaikutus ja n on
nykytila.
Toistuvuus
5 min
n
k
1/1a
1/2a
1/3a
1/5a
1/10a
3,5
5,0
5,5
6,5
7,0
4,2
6,0
6,6
7,8
8,4
10 min
n
k
4,8
7,2
7,8
9,0
10,8
5,8
8,6
9,4
10,8
13,0
15 min
n
k
7,1
9,0
10,1
11,0
14,1
8,4
10,8
12,0
13,2
16,8
n
30 min
k
n
60 min
k
6,0
7,5
8,4
9,6
11,4
10,8
13,2
15,6
18,0
21,6
12,0
15,0
16,8
19,2
22,8
14,4
18,0
20,4
22,8
27,6
Sillanpään (2013) havainnoima kynnysarvo mahdollistaa lyhtykestoisten sateiden käsittelyn nykyisellä mitoituksella. Kynnysarvo 16 mm ylittyy nykyisellä sateen intensiteeteillä joka kolmas vuosi toistuvalla tunnin kestoisella sateella. Kasvihuoneilmiön vaikutuksesta 16 mm sademäärä saavutetaan 1/10a toistuvuudella jo 15 minuutin sateella ja
1/2a toistuvuudella 60 minuutin sadetapahtumalla. Myöhemmissä kappaleissa Sillanpään esittämää EIA:han ja 16 mm sateeseen perustuvaa mitoitusta kutsutaan EIAmenetelmäksi.
52
4. HULEVESIEN HALLINNAN TARVE
Hulevesien hallinnan tarve voi aiheutua havaituista hulevesien haittavaikutuksista (tulviminen, eroosio, vedenlaadun heikkeneminen), uuden alueen kaavoituksesta, uudis- tai
täydennysrakentamisen suunnittelusta, laajennus- tai saneeraustarpeesta, kuivatuksen
tehostamisesta tai varautumisesta tavanomaista suurempia sateita varten.
Asemakaava-alueella kunta vastaa hulevesien hallinnan järjestämisestä, mutta kiinteistön omistaja ja/tai haltija vastaa kiinteistöltä muodostuvista hulevesistä. Asemakaavaalueen ulkopuolella vastuu on kiinteistön omistajalla. (MRL 1999). Vastuut ja velvollisuudet sekä hulevesien yhteys suunnitteluun on esitetty luvuissa 2.1. ja 2.2.
Tulviminen voi aiheutua liian pienen kapasiteetin lisäksi kunnossapidon laiminlyönneistä. Rummut ja putket voivat olla jäässä tai hiekka, roskat ja kasvillisuus voivat tukkia
putkia, uomia ja rumpuja. Esimerkiksi laskuojien huono kunto voi vaikuttaa pahimmillaan koko väylän kuivatuksen toimimiseen. (Liikennevirasto 2013).
Havaittua tulvahaittaa korjattaessa, varsinkin jos syyn oletetaan johtuvan liian pienestä
kapasiteetistä, on muistettava tarkastella johtamisjärjestelmää riittävän pitkälle alavirtaan. Tulviminen voi johtua kauempana alajuoksulla olevasta padottavasta rummusta tai
linjaosuudesta. Vaikka haitallinen padotus muodostuisikin heti padottavan linjaosuuden
kohdalle, linjakohdan kapasiteettia parannettaessa on varmistettava että järjestelmä pystyy johtamaan kasvavan virtaaman purkupisteeseen asti. Muuten tulvimiskohta vain
siirretään järjestelmässä eteenpäin. Johtamisjärjestelmän kapasiteettia kasvatettaessa
tarkastelu tuleekin jatkaa aina purkupisteeseen asti tai kohtaan johon kasvanut virtaama
voidaan purkaa ilman haittavaikutuksia.
Kapasiteettia voidaan parantaa putkikoon tai uoman kasvattamisen sijaan viivytysrakenteella. Kapasiteetin ylittävä osuus vedestä johdetaan järjestelmän ylivuotona viivytysrakenteeseen. Kun linjaan vapautuu kapasiteettia, vesi johdetaan viivytysrakenteesta takaisin hulevesijärjestelmään joko viettona tai pumppaamalla. Viivytysrakennetta ei tarvitse sijoittaa juuri kapasiteettia rajoittavaan kohtaan – kunhan viivytysrakenne vapauttaa riittävästi kapasiteettia tilanteen ratkaisemiseksi.
Tulvimisesta aiheutuvia haitallisia vaikutuksia voidaan vähentää rakentamalla verkostoon ylivuotoja kohtiin, joista poikkeuksellisten sateiden aiheuttamat vesimäärät eivät
aiheuta haittaa.
53
5. HULEVESIEN HALLINTA MALLINTAMALLA
Ensimmäiset hulevesien määrää ja laatua simuloivat mallit kehitettiin 1970-luvulla,
jonka jälkeen malleja on kehitetty jatkuvasti. Verkostomallinnus on nykyaikainen keino
hulevesiviemäreiden hydraulisen toiminnan tutkimiseen. Mallinnuksessa sade, valunta
ja virtaama pyritään esittämään numeerisina, laskentaohjelmiin sovitettuina teorioina.
(Zoppou 1999). Mallinnusohjelma koostuu yleensä hydrologisesta valuma-aluemallista
ja hydraulisesta verkostomallista. Valuma-aluemalli kertoo kuinka paljon hulevettä
muodostuu ja verkostomalli laskee huleveden virtauksen johtamis- ja käsittelyjärjestelmissä. (Kuntaliitto 2012).
Mallit voivat olla tapahtumamalleja, joissa tarkastellaan yksittäisiä sadetapahtumia tai
jatkuvan prosessin malleja, jotka simuloivat pitkän aikavälin vesitasetta aina kuukausista vuosiin (Zoppou 1999). Mallinnuksen tuloksena saadaan ajan suhteen muuttuva hulevesivirtaama mistä tahansa kohdasta järjestelmää. Mallintamalla voidaan tarkastella
yhden tai useamman valuma-alueen käyttäytymistä, hulevesivirtaaman muodostumista,
mitoittaa hulevesilinjoja tai viivytysrakenteita. Mallinnusta voidaan käyttää myös vedenlaadun määrittämiseen. (Kuntaliitto 2012, Rossman 2010).
Mallintamisella saadut tulokset ovat suuntaa-antavia, koska yleensä suunnittelualueesta
ei ole saatavilla riittävän tarkkaa lähtötietoa esimerkiksi alueiden pintavaluntaolosuhteista. Lisäksi kalibrointi on hankalaa, koska suunnittelualueelta ei yleensä ole saatavilla
mitattua aineistoa sadannasta tai muodostuvista hulevesivirtaamista. (Kuntaliitto 2012).
Mallin rakentamisen jälkeen itse tarkastelujen tekeminen on hyvin nopeaa, mikä mahdollistaa useiden sadetapahtumien vaikutusten selvittämisen. Vastaavasti tulva- tai häiriötilanteiden tarkastelut on nopea tehdä mallinnuksen avulla. Ilman mallinnusta on lähes mahdotonta osoittaa kaikki verkoston pisteet, joissa tulvimista tapahtuu. (Kuntaliitto
2012).
Kuntaliiton hulevesioppaassa (2012) suositellaan mallinnuksen käyttöä aina, kun kyseessä on useamman osavaluma-alueen tai johtolinjan muodostaman järjestelmän tarkastelu.
5.1
Mallinnuksen vaiheet
Mallinnusta aloitettaessa sovitaan yhdessä sidosryhmien kanssa mitä halutaan mallintaa,
millä tarkkuudella ja mitä tarkoitusta varten. Mallilta vaaditaan eri asioita, jos tarkastellaan erilaisia vaihtoehtoja poliittisen päätöksenteon pohjaksi, tai jos mallinnusta tehdään
54
rakennussuunnittelua varten. Mallinnuksen lähtökohdat vaikuttavat muun muassa käytettävään malliin, valittaviin laskentamenetelmiin, aluerajauksiin, aikaskaalaan, tarkasteltaviin skenaarioihin sekä tarvittavien lähtötietojen määrään ja laatuun. Kun tiedetään
mitä halutaan mallintaa, valitaan tarkoitukseen sopiva mallinnusohjelma ja laskentamenetelmät. (Van Waveren ym. 1999).
Itse mallinnus koostuu seuraavista vaiheista: lähtötietojen hankkiminen, valumaalueselvitys, hydrologisen mallin ja verkostomallin luominen tietokoneelle, mallin kalibrointi, laskenta-ajot mallilla halutuissa tilanteissa, tulosten kerääminen halutuista tarkastelupisteistä sekä tulosten analysointi ja johtopäätösten teko. Mallinnusta varten joudutaan tekemään yksinkertaistuksia niin hydrologiseen malliin kuin verkostomalliin.
Yksinkertaistuksia tehdessä on huolehdittava, ettei niiden vaikutus kokonaistulokseen
muodostu merkittäväksi. (RIL 237-2-2010).
5.2
Käyttö
Mallinnusohjelmia käytetään uusien järjestelmien suunnittelemiseen ja nykyisen verkoston analysoimiseen. Suunnittelussa uusien verkosto-osuuksien fyysiset ominaisuudet
(kaltevuus, halkaisija) määritetään niin, että järjestelmä pystyy johtamaan halutulla mitoitustilanteella muodostuvat virtaamat. Nykyisen järjestelmän analysoinnissa mallinnuksella selvitetään järjestelmän kapasiteetin riittävyyttä tai toimintaa tietyissä olosuhteissa. Yleensä pyritään selvittämään tarvitseeko nykyistä järjestelmää parantaa. (Buttler
& Davies 2004).
Mallinnusta voidaan hyödyntää kehittämissuunnitelmien, saneeraussuunnitelmien, hulevesitulvariskiarviointien ja yleissuunnitelmien laadinnassa. Mallinnuksella voidaan
etsiä järjestelmän pullonkaulakohtia, tulvimiskohtia sekä suunnitella tulvahaittoihin
ratkaisuja. Mallinnuksella voidaan tarkastella kaavoituksen aiheuttamaa vaikutusta nykyiseen verkostoon tai nykyisen verkoston kapasiteettia kestää ilmastonmuutoksen vaikutukset. Erilaiset riski- ja vahingonvaaratarkastelut ovat myös mahdollisia. Mallinnusta voidaan käyttää myös yksittäisten kohteiden, kuten uusien putkilinjojen, pumppaamoiden, tasausaltaiden, ylivuotojen tai muiden rakenteiden hydrauliseen mitoitukseen.
(RIL 237-2-2010, Rossman 2010).
Mallinnusta voidaan hyödyntää myös veden laadun arviointiin. Mallinnuksen avulla
voidaan arvioida esimerkiksi vesistöön johdettavaa kuormitusta tai haitta-aineen kulkeutumista hulevesiverkostossa. (Rossman 2010).
55
5.3
Tulvimisen mallinnus
Tiheillä kaupunkialueilla voidaan olettaa, että suurin osa tulvivasta vedestä virtaa katurakenteita pitkin (Mignot et al. 2006). Djordevic et al. (1999) esitteli ns. dual drainage mallinnustilanteen, joka huomioi paineellisen putkivirtaaman ja kaivoista purkautuvan
pintavirtaaman välisen vuorovaikutuksen. Menetelmä on esitetty kuvassa 33.
Kuva 33. Dual drainage -menetelmä mallinnuksessa huomioi pintavirtaaman ja paineellisen putkivirtaaman välisen vuorovaikutuksen (Djordjevic et al. 1999).
Tulvimista mallinnettaessa käytettävän mallin tulee pystyä laskemaan (Schmitt et al.
2004):
·
·
·
·
siirtymä vapaasta virtaamasta paineelliseen virtaamaan
vedenpinnan nousu maanpinnan yläpuolelle aiheuttaen veden valuntaa
pintavalunnan muodostuminen tulvimistilanteessa ja
pintavaluntana etenevän virtaaman ja paineellisen putkivirtaaman välisen vuorovaikutuksen.
Dual drainage -mallinnuksessa pinnoista annetaan lisätietoja, kuten (i) rakenne, joka
yhdistää pinnan viemärijärjestelmään sekä (ii) virtaamaa johtavan pinnan ominaisuudet.
Esimerkiksi kaduilta vedet voidaan johtaa erilaisten kaivorakenteiden kautta virrata verkostoon ja tulvimistilanteissa hulevedet voivat virrata katurakennetta pitkin seuraavalle
kaivolle. (Schmitt et al. 2004).
Maanpäällistä virtaamaa voidaan mallintaa 1-uloitteisessa mallinnuksella rakentamalla
katua vastaava poikkileikkaus malliin avouomana (Mark et al. 2004; Gironas et al.
2009). 2-ulotteisessa mallinnuksessa pintarakenteiden ominaisuudet esitetään tarkem-
56
min, esimerkiksi kolmioimalla katurakenteen korkeustiedot (Schmitt et al. 2004). Esimerkki 2-ulotteisesta mallinnustuloksesta on kuvassa 34.
Kuva 34. Vedenpinnankorkeus 2-ulotteisessa mallinnuksessa (Schmitt et al. 2004).
Pintavirtaaman mallinnus puutteellisten katurakenteen tietojen vuoksi muodostaa molemmissa mallinnustavoissa laskennan suurimman epätarkkuuden (Mark et al. 2004,
Schmitt et al. 2004). Katurakenteen monimutkaisuus risteyskohdissa aiheuttaa vaikeuksia mallinnukselle varsinkin 1D-mallinnuksessa. Myös järjestelmien välisenä linkkinä
toimivien kaivojen yksinkertaistus aiheuttaa oman virhelähteensä. (Mark et al. 2004).
5.4
Epävarmuustekijät ja virheet mallissa
Epävarmuutta voi esiintyä niin mallinnuksen lähtötiedoissa, järjestelmässä, vaikutusten
arvioinnissa kuin tulevan kehityksen ennustamisessa. Lähtötiedon epävarmuudet voivat
johtua havainnoista ja mittauksista. Järjestelmän tiedot perustuvat yleensä viemäreiden
muodon, mittojen ja asennuksen osalta olemassa olevaan tietoon. Mallinnuksen virheet
jakautuvat kolmeen ryhmään: mallin rakenteellisiin virheisiin, parametrien virheisiin ja
laskennan aikaisiin virheisiin. (Aaltonen et al. 2008).
Mallin kalibrointi ja validointi vaatii sadannan ja valunnan havaintoja vähintään kuuden
sadetapahtuman osalta valuma-alueen olennaisista kohdista. Empiirisiin algoritmeihin
perustuvien mallien osalta kalibroinnin tarve korostuu. Kalibrointi tulee suorittaa sitä
suuretta vastaan, josta havainnot on tehty. (Aaltonen et al. 2008).
57
5.5
Sadanta
Hydrologinen tapahtuma alkaa aina sateesta. Mallinnuksessa käytettävä sade voi olla
yksittäinen sadetapahtuma tai koostua useammasta peräkkäisestä sateesta. Sade voi olla
tasaista tai sen intensiteetti voi muuttua ajan suhteen. (Kuntaliitto 2012). Mallinnettava
sade voidaan jakaa kolmeen luokkaan: tasainen sade, dynaaminen sade ja synteettinen
sade. (Brown et al. 2009).
Vaikka sateen intensiteetti vaihtelee, monet huippuvirtaaman määrittämiseen perustuvat
mallinnusmenetelmät perustuvat tasaiseen sateeseen. Sadetapahtumista voidaan luoda
intensiteetti-kesto-toistuvuus-käyrä IDF (Intensity-Duration-Frequency). IDF-käyrä on
yhteenveto sateen toistuvuudesta, kestosta ja intensiteetistä ajan suhteen. (Brown et al.
2009). Esimerkki IDF-käyrästä on kuvassa 35.
Sateen intensiteetti l/s*ha
250
200
150
100
50
0
0
20
1/1a
40
60
80
Sateen kesto (min)
1/2a
1/3a
1/5a
100
120
1/10a
Kuva 35. Intensiteetti-kesto-toistuvuus -käyrä (IDF). Käyrä on laadittu hulevesioppaan
mukaisten mitoitussateiden intensiteetin (taulukko 8). Mitoitussateet perustuvat keskimäärin noin 1 km2:n aluesadannalle Etelä-Suomessa kun kasvihuoneilmiön vaikutusta ei ole huomioitu. (Kuntaliitto, 2012).
Sadetapahtuma voidaan kuvata oikeiden mittaustietojen perusteella. Mitattu sade esitetään yleensä kumulatiivisena sademääränä ajan suhteen. Mallinnuksessa sateen intensiteetin muutos jaetaan aikaväleihin. Keskimääräinen sateen intensiteetti lasketaan jokaiselle aikavälille. Tulosten perusteella muodostuu hyetografi (kuva 36). (Brown et al.
2009). Hyetografi on tarkempi kuvaus sateesta kuin IDF-käyrä, koska se huomioi sateen
intensiteetin vaihtelun. Hyetografeja käytetään malleissa, jotka perustuvat valuntakäyriin. (Brown et al. 2009).
58
6
5
5
4
4
3
3
Sade (mm)
Sade (mm)
6
2
1
0
0
10
20
Aika (min)
30
2
1
0
5
10
15
20
25
30
35
Aika (min)
Kuva 36. Kumulatiivinen sade (vasemmalla) ja hyetografi (oikealla). (mukailtu Brown
et al. 2009).
Mallinnukset perustuvat yleensä keinotekoisiin sateisiin, jotka on muokattu vastaamaan
alueen sadantaa (Brown et al. 2009). Tunnettu keinotekoinen sateenmuoto on ns. CDSsade (Chicago Design Storm). Rankkasateet- ja kaupunkitulvat (2008) raportissa on
määritetty Suomen mitoitussateisiin sovitetut 20 minuutin CDS-sateet 2 ja 3 vuoden
toistuvuudella nykyilmastolla ja tulevalla ilmastolla (kuva 37).
Kuva 37. Suomen mitoitussateisiin sovitetut CDS-sateet nykyilmastolla (sininen) ja tulevalla ilmastolla (punainen), jossa sateen kertymän on oletettu kasvaneen 20
%. (Aaltonen et al. 2008).
5.6
Valunta
Sadannan ja valunnan välistä yhteyttä on hahmoteltu 1800-luvun lopulta lähtien. Ensimmäisenä julkaistiin rationaalinen menetelmä (kaava 1), johon Suomen mitoitusohjeistus edelleen perustuu. 1930-luvulla Horton esitti hulevesien muodostumisesta teorian perustuen maan imeyntäkapasiteetin ylittymiseen ja Sherman laati nk. yksikkövaluntakäyrän, jossa sadetapahtumasta muodostetaan valuntakäyrä tehoisan eli valuntaa aiheuttavan sadannan perusteella. (Mustonen 1986). Nämä laskentamenetelmät perustuivat
empiirisiin havaintoihin (Zoppou 2001).
59
1950-luvlla alettiin kehittää matemaattisia malleja kuvaamaan sadantaa ja valumaa. Fysiikan lakeihin perustuvia konseptuaalisia valuntamalleja kehitettiin 1960–1970luvuilla. (Mustonen 1986).
Valunnan mallinnusta varten tarkasteltavaa aluetta joudutaan aina yksinkertaistamaan.
Rankkasateiden aikana haihdunta voidaan yleensä olettaa merkityksettömäksi (Buttler
& Davies 2004, Kuntaliitto 2012). Useissa menetelmissä valuma-alueet oletetaan malleissa homogeenisiksi tai sateen oletetaan olevan tasaista.
Käyttötarkoitus vaikuttaa mallinnuksessa käytettäviin laskentamenetelmiin. Valumaalueelta muodostuvaa huippuvirtaamaa käytetään hulevesien johtamisjärjestelmien mitoitusperustana. Jos tarkastellaan veden viivytystä tai monimutkaisia verkostorakenteita,
laskentamenetelmällä tulee pystyä laatimaan virtaamakäyrä ajan suhteen halutusta tarkastelupisteestä. (Brown et al. 2009). Hulevesioppaassa (Kuntaliitto 2012) ei ole annettu
ohjeistusta mallinnuksessa käytettävien laskentamenetelmien valintaan.
Luvuissa 5.6.1-5.6.7 on esitetty erilaisia laskentamenetelmiä sateen häviöiden, kuten
imeynnän tai suoraan valunnan laskentaan.
5.6.1 Horton
Empiirisessä Hortonin kehittämässä menetelmässä imeytyminen alkaa tietyltä tasolta ja
vähenee eksponentiaalisesti kunnes saavuttaa kyllästyneen maan imeytymistason. Imeytymiskyvyn ylittävästä sademäärästä muodostuu pintavaluntaa. Menetelmässä imeytyminen esitetään ajan funktiona (7).
f = f + (f − f )e
.
(7)
jossa f0 ja ff ovat imeytymisnopeuksia [mm/h] alku- ja lopputilanteessa, t on aika sateen
alkamisesta. Kaavan m on vakio, joka kuvaa imeynnän vähentymistä. (Karamouz et al.
2010). Parametrit , f0 ja m voidaan määrittää mittauksilla. Kertoimille on myös annettu taulukoituja arvoja (taulukko 21). Arvot eivät kuitenkaan ole ”yleisesti sovittuja”
vaan perustuvat arvioon.
Taulukko 21.
Esimerkkejä Horton-menetelmän parametreistä (Karamouz et al. 2010).
Maankäyttö
Rakennettu alue – heikko tai epävarma imeytyvyys
Luonnontilainen – heikko tai epävarma imeytyvyys
Luonnontilainen – melko hyvä imeytyvyys tai parempi
Rakennettu alue – melko hyvä imeytyvyys tai parempi
f0
mm/h
ff
mm/h
m
1/s
6
9
12,5
9
3
3
6,25
3
0,0005
0,0001
0,00005
0,0005
60
Mustosen (1986) mukaan Hortonin teoria ei päde Suomen olosuhteissa, koska sadannan
intensiteetti ylittää erittäin harvoin maan imeyntäkapasiteetin.
5.6.2 Green ja Ampt
Käytetyin fysiikkaan perustuva numeerinen imeyntämalli on Greenin ja Amptin kehittämä menetelmä vuodelta 1911. Menetelmä perustuu oletukseen, että sateen alussa läpäisevän maanpinnan alapuolella on selkeä, tasainen kostumisrintama. Sateen imeytyessä maaperään kosteusrintama liikkuu ja kosteusrintaman paksuus kasvaa, samalla
imeyntä hidastuu. Yhtälössä kostumisrintaman alapuolella kyllästymisaste ja hydraulinen johtavuus ovat vakioita. Imeyntä on esitetty yhtälössä (8). Menetelmä perustuu
Darcyn lakiin. (Karamouz et al. 2010).
=
=−
(
)
+1
(8)
jossa f on imeyntänopeus [cm/s], Ks on vedellä kyllästyneen maakerroksen hydraulinen
johtavuus [cm/s], ψf on kapillaarinen nousukorkeus [cm], θs on kyllästyneen maaperän
vesipitoisuus [-], θi on vesipitoisuus tarkastelun alussa [-] ja F on maaperän imeytynyt
vesimäärä [cm] (kumulatiivinen). Menetelmää varten on taulukoitu parametrien arvoja
(taulukko 22). Taulukoituja arvoja tulee käyttää vain jos mittaustietoa ei ole saatavilla.
(Karamouz et al. 2010).
Taulukko 22.
Green ja Ampt -menetelmän kertoimia eri maalajeille (Karamouz et al.
2010). Taulukossa η on huokoisuus, θe on tehokas huokoisuus, ψf on
kapillaarinen nousukorkeus ja K on hydraulinen johtokyky.
Maalaji
Hiekka
Hiekkainen siltti
Hiesu
Hiekkapitoinen savi
Savi
η
[-]
θe
[-]
ψf
[mm]
K
[mm/h]
0,437
0,453
0,463
0,430
0,475
0,417
0,412
0,434
0,321
0,385
49,5
110,1
88,9
239,0
316,3
117,8
10,9
3,4
0,6
0,3
5.6.3 Rationaalinen menetelmä
Rationaalinen menetelmä perustuu valuma-alueelta muodostuvan huippuvirtaaman määrittämiseen valuma-alueen pinta-alan, valumakertoimen ja sateen intensiteetin perusteella. (Brown et al. 2009). Menetelmä on sama kuin kuntaliiton hulevesioppaassa (2012) ja
liikenneviraston ohjeessa (2013) esitetty periaate hulevesivirtaaman laskennalle (kaava
1). Menetelmää käytetään edelleen paljon sen yksinkertaisuuden vuoksi.
61
Rationaalinen menetelmä perustuu seuraaviin oletuksiin (Karamouz et al. 2010):
·
·
·
·
sateen intensiteetti on vakio valuma-alueella koko sateen ajan
sateen intensiteetti tai sateen kesto ei vaikuta valumakertoimeen
valunta-ajan pituus ei riipu sateen intensiteetistä
viivyttävien muotojen/rakenteiden vaikutusta ei huomioida.
Kaikki em. kriteerit tapahtuvat harvoin luonnossa. Menetelmää voidaan käyttää pienten
alueiden tarkasteluun (max 80 ha), koska sateen intensiteetin tulee olla vakio ja sateen
keston tulee olla vähintään yhtä pitkä kuin valunta-aika valuma-alueen kauimmaisesta
pisteestä purkupisteeseen. (Brown et al. 2009).
Rationaalisella menetelmällä saadut tulokset ovat luotettavampia homogeenisilta aluilta.
Suuremmat valuma-alueet kannattaakin jakaa osavaluma-alueisiin luotettavuuden parantamiseksi. (Karamouz et al. 2010).
5.6.4 SCS
Entinen SCS (Soil Conservation Service), nykyinen NRCS (Natural Resources Conservation Services) on kehittänyt empiirisen menetelmän huippuvirtaamien arviointiin pieniltä viemäröidyiltä alueilta. SCS käyränumeromenetelmässä sateen ja pintavalunnan
välinen suhde jaetaan välittömään valuntaan, viipymään ja alkuhäviöihin. Välittömän
valunnan perusteella voidaan määrittää huippuvirtaama (kaava 9). (Brown et al. 2009).
Q =
(
,
,
)
(9)
jossa QD on välittömän valunnan vesikerroksen paksuus [mm], P on vuorokauden sademäärä [mm] ja SR on viipyvän vesikerroksen paksuus [mm]. Empiiristen tutkimusten
perusteella viipyvän vesimäärän osuus on yhteydessä valunnan käyränumeroon CN
(curve number). Käyränumero koostuu neljästä maalajiluokasta (kuvaa maaperän
imeyntää), maankäyttömuodoista, läpäisemättömän pinnan osuudesta, sateesta ja sadetta
edeltäneistä olosuhteista (kuiva-melkokuiva-kostea). Käyränumeroiden arvot vaihtelevat 0-100 välillä. (Brown et al. 2009, Karamouz et al. 2010) Viipyvän vesimäärän paksuus ratkaistaan käyränumeron valinnan jälkeen kaavalla 10 (Brown et al. 2009).
S = 25,4 ∙
− 10 .
(10)
Huippuvirtaaman arviointia varten on kehitetty taulukoita ja kaavioita käyränumeroiden
arvioimiseksi. Arvot perustuvat Yhdysvalloissa tehdyille kenttätutkimuksille. (Brown et
al. 2009). Käytettäessä SCS-menetelmää tulee huomioida, että menetelmä on empiirinen ja mittaukset on tehty hyvin erilaisissa olosuhteissa kuin Suomessa.
SCS-menetelmästä on myös tehty taulukkopohjainen yksikkövaluntakäyrä ja synteettinen yksikköhäviökäyrä. (Brown et al. 2009). SCS-menetelmän graafista sovellusta kut-
62
sutaan TR-55 (Technical Release 55) -menetelmäksi. Menetelmä on kehitetty pienille
valuma-alueille, jotka sijaitsevat taajama-alueella. (USDA 1986). Sovelluksesta on kehitetty mallinnusohjelma TR-55 vuonna 1975. Vuoden 1998 päivityksen jälkeen ohjelmaa on kutsuttu myös nimellä WinTR-55 (USDA 2009).
TR-20 (Technical Release 20) on sadanta-valunta simulointiin kehitetty tietokoneohjelma vuodelta 1965. Ohjelma muodostaa valuntakäyriä valuma-alueilta ja johtaa virtaamat kanavien ja allasrakenteiden kautta. Huippuvirtaamat, huippuvirtaamien ajankohdat, vedenpinnankorkeudet ja kestot voidaan laskea halutuista kohdista uomaverkostoa. (USDA 2014). Vuoden 1992 päivityksen yhteydessä ohjelma on kutsuttu myös
nimellä WinTR-20. (USDA 2004).
Molemmat alkuperäiset laskentaohjelmat, TR-20 ja TR-55, ovat SCS:n kehittämiä.
NRCS on jatkanut ohjelmien kehittämistä. Esimerkiksi mallinnusohjelmien hydraulisia
laskentamenetelmiä on päivitetty 2010-2011. (USDA 2014).
5.6.5 Yksikkövaluntakäyrä
Yksikkövaluntakäyrä UH (unit hydrograph) kuvaa sateesta aiheutuvaa suoraa valuntaa
purkupisteeseen. Valuntakäyrä kuvaa virtaaman muutosta purkupisteessä ajan suhteen.
(Karamouz et al. 2010).
Yksikkövaluntakäyrä on kehitetty sateen aiheuttaman ylivalunnan määrittämiseksi tapauksissa, joissa sadehavaintoja on melko pitkältä ajalta, mutta virtaamahavaintojakso on
lyhyt. Menetelmä perustuu oletukseen, että välitön valunta on (i) kestoltaan ja intensiteetiltään muuttumaton, (ii) lineaarista ja (iii) yhteenlaskettavaa. Eli sateen intensiteetin
ei oleteta vaikuttavan huippuvirtaaman esiintymisajankohtaan, eikä valunta-aikaan kaukaisimmasta pisteestä purkupisteeseen. Sateen intensiteetti ja valuntakäyrän muoto suhtautuvat toisiinsa tehoisten sadantojen mukaisessa suhteessa ja usean sateen aiheuttama
kokonaisvalunta saadaan laskemalla yksittäisten sateiden valunnat yhteen. (Mustonen
1986).
Yksikkövaluntakäyrä muodostetaan virtaamahavaintojen perusteella tarkasteluaikaa
vastaavalle sademäärälle. Tästä virtaamakäyrästä voidaan muodostaa minkä tahansa
sateen aiheuttama virtaamakäyrä. (Mustonen 1986). Rossmanin (2010) mukaan yksikkövaluntakäyrää ei tule käyttää 2600 km2 suuremmille valuma-alueille.
Yksikkövaluntakäyristä on tehty useita sovelluksia. (Karamouz et al. 2010). Yksikköhäviökäyrämentelmän kehitti Snyder vuonna 1938. Snyderin yksikkövaluntakäyrä
perustuu yritys-erehdys pohjaiseen arvojen muokkaukseen. Ensin osalle ordinaatoista
annetaan alkuarvot, jota seuraa yritys ja erehdys perusteinen arvojen muokkaus. Yksikkövaluntakäyrä on valmis, kun tilavuus vastaa yhden tuuman vesikerroksen virtaamaa.
(Mays 2001).
63
Clarkin yksikkövaluntakäyrän muodostamista varten määritetään peräkkäisiä pintaaloja, jotka ovat ajan suhteen yhtä etäällä purkupisteestä. Pinta-alojen määrittäminen on
aikaa vievä prosessi. Tulokseksi saadaan diagrammia ajan ja pinta-alan suhteen, jonka
perusteella muodostetaan yksikkövaluntakäyrä. Clarkin yksikkövaluntakäyrämenetelmää käytetään HEC-1 -mallinnusohjelmassa. Mallinnusohjelmassa diagrammin sijaan
käytetään kertoimia. (Mays 2001).
Sovellettu rationaalinen menetelmä on rationaalisesta menetelmästä kehitetty sovellus, joka mahdollistaa virtaamakäyrän laadinnan purkupisteessä. Virtaamakäyrä laaditaan kolmen tekijän perusteella: sateen keston t r, valunta-ajan tc ja huippuvirtaaman Qp.
Esimerkki virtaamakäyrästä on kuvassa 38. Huippuvirtaama lasketaan rationaalisella
menetelmällä (kaava 1). (Goswami 2012).
Kuva 38. Sovelletun rationaalisen menetelmän yksikkövaluntakäyrä (Goswami 2012).
Valunta-aika tc arvioidaan yleensä maanpäällisen virtausajan perusteella esimerkiksi
kinemaattisella aaltoyhtälöllä. Jos virtausreitistä osa on uoma- tai putkivirtausta, tulee
tämä huomioida valunta-ajan arvioinnissa. (Karamouz et al. 2010). Valunta-ajan ratkaisumenetelmiä on esitetty luvussa 5.10.
SCS UH on SCS-menetelmästä (luku 5.6.4) tehty yksikkövaluntakäyräsovellus, jossa
muodostetaan kolmion muotoinen yksikkövalunta. Yksikkövaluntakäyrä on esitetty
kuvassa 39.
64
Kuva 39. NRCS (entinen SCS) synteettinen yksikkövaluntakäyrä (Brown et al. 2009).
1 mm sadetta vastaava huippuvirtaama voidaan laskea kaavalla 11 (Brown et al. 2009).
=
∙
∙
∙
(11)
jossa gp on huippuvirtaama [m3/s], Ak on valuma-alueen pinta-ala [km2], QD on suoran
valunnan määrä [mm], tp on huippuvirtaaman ajankohta [h], Kp on huippukerroin [-] ja
α on yksikkömuunnoskerroin (SI yksiköllä 0,00043).
Kp huippukertoimelle on erilaisia arvoja valuma-alueen mäkisyydestä riippuen. Esimerkiksi 484 kuvaa yksikkövaluntakäyrää, jonka pinta-alasta 3/8 on nousevalla osalla käyrää. Huippuvirtaaman ajankohta tp on 2/3 valunta-ajasta tc (time of concetration).
(Brown et al. 2009).
5.6.6 SWMM
Yhdysvaltain ympäristönsuojeluvirasto U.S. EPA (United States Environmental Protection Agency) on kehittänyt ja julkaissut SWMM-mallinnusohjelman (Storm Water Management Model). Ohjelman viimeisin versio SWMM 5 on julkaistu vuonna 2005.
(Rossman 2010). SWMM-mallia on käytetty laajasti ympäri maailman (Giroás et al.
2009) ja mallista on myös kehitetty kaupallisia sovelluksia (Buttler & Davies 2004).
SWMM-ohjelma on fysiikan lakeihin perustuva diskreetti simulaatiomalli, joka perustuu massan, energian ja liikemäärän säilyvyyteen. Malli jakautuu neljään osaan (Rossman 2010): (i) ilmasto-osuus kuvaa mallinnettavan sadetapahtuman, haihdunnan ja ilman epäpuhtaudet; (ii) maankäyttöosuudessa valuma-alueelle satavasta vedestä muo-
65
dostuu valuntaa; (iii) kuljetusosuudessa määritetään pintavalunnan virtaus purkupisteeseen kautta verkostoon, ojiin yms.; (iiii) pohjavesiosuus määrittää imeynnän ja tuottaa
tietoa kuljetusosuuteen.
Valuman laskentaa varten alue jaetaan ominaisuuksiltaan riittävän homogeenisiin osavaluma-alueisiin, josta jokaisella on yksi purkupiste. Osavaluma-alueelle määritetään
hydrologiset parametrit (Rossman 2010):
·
·
·
·
·
·
hydraulinen leveys (alueen leveys maanpäällisen virtausreitin suhteen)
kaltevuus
läpäisemättömän pinnan määrä TIA
läpäisevän pinnan painannesäilyntä ja Manningin karkeuskerroin
läpäisemättömän pinnan painannesäilyntä ja Manningin karkeuskerroin
valumareitti (valuuko vesi molemmilta pinnoilta suoraan purkupisteeseen vai
valuuko vesi läpäisemättömältä pinnalta läpäisevälle tai toisin päin).
Esimerkkejä läpäisemättömän pinnan osuuksista erilaisille maankäyttömuodoille on
esitetty taulukossa 23.
Taulukko 23.
Läpäisemättömän pinnan osuus maankäyttömuodon perusteella (Zaman
& Ball 1994 Cho & Ball 2002 mukaan).
Maaperä/maan käyttö
Väljä asuinalue
Tiivis asuinalue
Hyvin tiivis asuinalue
Liikealue
Avoimet alueet
Teollisuusalue
Eritysikäyttö
Liikennealue
Läpäisemättömän pinnan osuus
37
45
55
55
0
55
50
80
Rossmanin (2010) ja Gironás et al. (2009) mukaan hydraulinen leveys voidaan laskea
jakamalla osavaluma-alueen pinta-ala pisimmän maanpäällisen virtausreitin pituudella.
Jos virtausreittejä on useita, käytetään näiden keskiarvoa. Hydraulisen leveyden periaate
on esitetty kuvassa 40. (Gironás et al. 2009).
Uomavirtaus ei kuulu virtausmatkan pituuteen, joka tyypillisesti pienentää virtausreitin
pituuden alle 200 metriin. Kaupunkimaisilla alueilla virtausmatkan pituus voi jäädä
huomattavasti lyhyemmäksi. (Gironás et al. 2009).
66
Kuva 40. Hydraulisen leveyden (w) määritys SWMM-menetelmässä (Gironás et al.
2009).
Painannesäilyntä tarkoittaa sateen aikana maanpinnalle lammikoituvaa vesimäärää. Kun
kaikki maanpinnan painanteet ovat täyttyneet, hulevesi alkaa valumaan pinnankaltevuuksien mukaisesti. Painannesäilynnän määriä on koottu taulukkoon 24. (Karamouz et
al. 2010).
Taulukko 24.
Painannesäilynnän määrä (Karamouz et al. 2010).
Maaperä/maan käyttö
Hiekka
Hiesu
Savi
Läpäisemätön päällyste
Läpäisevä maa kaupunkialueella
Painannesäilynnän määrä (mm)
5,1
3,8
2,5
1,6
6,25
Läpäiseviltä pinnoilta sadevettä imeytyy maahan. Imeyntä voidaan määrittää kolmella
menetelmällä (i) Hortonin (ii) Greenin ja Amptin tai (iii) SCS:n käyränumeromenetelmällä. (Rossman 2010).
Osavaluma-alueelta muodostuva valunta ja valunta-aika lasketaan alueen hydraulisen
leveyden, kaltevuuden, läpäisemättömän pinnan määrän, Manningin karkeuskertoimen
ja valumareitin mukaan. (Rossman 2010).
5.6.7 HEC-1
U.S. Hydrology Engineering Center (HEC) of Army Corps of Engineers on kehittänyt
HEC-1 sadanta valunta mallinnusohjelman vuonna 1968. Ohjelmaa on päivitetty muutamaan otteeseen tämän jälkeen. Ohjelma on suunniteltu simuloimaan joen virtaaman
muutoksia erialisissa sadetilanteissa. Ohjelmalla voidaan mallintaa lumen sadannan ja
sulannan vaikutuksia, padon turvallisuutta ja tulvan aiheuttamia haittoja. Mallinnustuloksena saadaan virtaamakäyriä halutuista kohdista joesta. (Mays 2001).
Laskentaa varten luodaan hyetografi halutusta sadetilanteesta. Tehokas sadanta saadaan
määritettyä häviömenetelmien kautta. Häviömenetelmiä ovat (1) alku- ja häviökerroin,
67
(2) eksponentiaalinen häviökerroin häviökertoimet (3) SCS-käyränumeromenetelmä (4)
Holtanin häviömenetelmä (5) Green ja Ampt -imeyntämenetelmä ja (6) yhdistetty sulanta ja sadehäviö. (Mays 2001).
Yksikkövaluntakäyrät voidaan laatia käyttäjän määrittelemänä tai Clarkin, Snyderin tai
SCS yksiköttömällä menetelmällä. Hydraulisessa laskennassa voidaan käyttää kinemaattista aaltoyhtälöä tai Muskingum-Cunge-menetelmää. (Mays 2001).
5.7
Painovoiman vaikutus virtausolotiloihin
Pintavalunta, virtaus avouomassa ja vajaassa putkessa perustuvat painovoimaan. Liikkeen hitausvoimien ja painovoiman perusteella virtaustila voi olla kiitovirtausta (superctritical), verkasvirtausta (subcritical) tai kriittistä (critical). Kriittisessä virtauksessa
veden virtausnopeus on yhtä suuri kuin aallon etenemisnopeus ko vedensyvyydellä.
Verkasvirtauksessa aalto etenee ylävirtaan ja kiitovirtauksessa alavirtaan päin. (Hooli &
Pohjamo 1990). Virtaustila voidaan tarkastella Frouden luvun Fr [-] perusteella kaavalla
(12).
Fr = ∙
(12)
jossa v on kesimääräinen virtausnopeus [m/s], g on painovoiman kiihtyvyys [m/s2] ja L
on virtauspoikkileikkaukselle ominainen pituus [m]. Avouomassa L on hydraulinen syvyys [m], joka saadaan jakamalla uoman poikkileikkausalan vesipinnan leveydellä. Jos
Frouden luku on 1, niin virtaus on kriittistä. Tätä pienempi Frouden luku kuvaa verkasvirtausta ja suurempi kiitovirtausta. Koska pinta-aallon likimääräinen etenemisnopeus
on
ℎ, kiitovirtauksessa aalto etenee vastavirtaan ja verkasvirtauksessa myötävirtaan.
(Hooli & Pohjamo 1990).
Kun virtaustila muuttuu kiitovirtauksesta verkasvirtaukseksi lyhyellä matkalla, muodostuu vesikynnys (hydraulic jump). Vesikynnyksen kohdalla vesikerroksen paksuus kasvaa ja virtausnopeus hidastuu merkittävästi, samalla osa liike-energiasta vapautuu ja osa
häviää lämmöksi. Vesikynnys voi muodostua uomissa, joissa Frouden luku on lähellä
yhtä, ja lyhyellä matkalla joko uoman pohjan kaltevuus loivenee ja/tai levenee. Vesikynnyksen muodostuminen on esitetty kuvassa 41. (Hooli & Pohjamo 1990).
68
Kuva 41. Vesikynnys (Hooli & Pohjamo 1990).
5.8
Viskositeetin vaikutus virtausolotiloihin
Viskositeetin vaikutuksesta virtaus voi olla laminaarista, turbulenttista tai näiden siirtymäalueella. Laminaarisessa virtauksessa nesteosat liikkuvat yhdensuuntaisia ratoja pitkin, turbulenssivirtauksessa virtaus on pyörteistä ja nesteosasten liikenopeus on suurempi kuin nesteen keskimääräinen nopeus (kuva 42). (Hooli & Pohjamo 1990).
Kuva 42. Laminaarinen ja turbulenttinen virtaus sekä virtausten nopeuskuviot putki- ja
avouomavirtauksessa (Hooli & Pohjamo 1990).
Laminaarisessa putkivirtauksessa virtausnopeus on suurin putken keskellä ja avouomavirtauksessa pinnalla. Turbulenttisessa virtauksessa virtausnopeus poikkileikkauksessa
pysyy tasaisempana. Reunan viereisessä rajakerroksessa virtausnopeus kasvaa ensin
nopeasti, mutta kasvu hidastuu rajakerroksen jälkeen (kuva 42). Turbulenssi- ja laminaarivirtauksen esiintymistä voidaan määrittää Reynoldsin luvulla (kaava 13). (Hooli
& Pohjamo 1990).
Re = ∙
(13)
jossa v on keskimääräinen virtausnopeus [m/s], υ on kinemaattinen viskositeetti [m2/s],
L on virtauksen poikkileikkaus (putkelle halkaisija, avuouomassa hydraulinen säde)
[m]. Putkivirtauksessa virtaus on laminaarista jos Re on alle 2320 ja turbulenttista jos
Re on yli 3000. Arvojen 2320-3000 välistä aluetta kutsutaan siirtymäalueeksi, jossa
virtaustila voi muuttua helposti. Uomavirtauksessa vastaava siirtymäalue on likimain
500-2000 välisellä alueella. Uomissa ja putkessa virtaus on yleensä turbulenttista. Pohjavesivirtaus on enimmäkseen laminaarista. (Hooli & Pohjamo 1990).
69
5.9
Hydraulinen laskenta
Virtauslaskennan helpottamiseksi olosuhteita usein yksinkertaistetaan (Brown et al.
2009). Stationäärisessä eli pysyvässä virtauksessa (steady flow) virtaama oletetaan vakioksi eli vesikerroksen paksuus, virtausnopeus, paine ja muut virtaustekijät eivät muutu ajan suhteen. Tasaisessa virtauksessa (uniform flow) uoman jokaisen poikkileikkauksen virtaustekijät ovat samat. Mikäli uoman poikkileikkaus muuttuu, on kyseessä muuttuva virtaus (varied flow). Muuttuva virtaus voi olla nopeasti muuttuvaa (rapidly varied
flow), jolloin virtauksen muutos johtuu paikallisesta ilmiöstä kuten vesikynnyksestä.
Asteittain muuttuvassa virtauksessa (gradually varied flow) virtausnopeus ja vesikerroksen paksuus muuttuvat hitaasti. Vesikynnyksiä ei muodostu, mutta vedennopeuden
kiihtyessä tai hidastuessa veden pinnan kaltevuus muuttuu eli vedenpinnan kaltevuus on
pohjan kaltevuutta jyrkempi tai loivempi. (Hooli & Pohjamo 1990). Valittu virtaamanlaskentamenetelmä vaikuttaa mallinnuksessa käytettävään aika-askeleen pituuteen ja
laskennan raskauteen (Rossman 2010).
Muuttuvassa avouomavirtauksessa virtaaman poikkileikkaus vaihtelee matkan suhteen
ja virtaama muuttuu ajan suhteen. Eli muuttuvaa avouomavirtausta mallinnettaessa virtaama ja vedenkorkeus uoman eri pisteissä muuttuvat ajan funktiona. Laskenta perustuu
yleensä Saint Venantin yhtälöön tai sen sovelluksiin. (Zoppou 2001) Saint Venantin
yhtälön ratkaisumenetelmiä on esitetty luvussa 5.9.1. Muita virtaamalaskentamenetelmiä on esitetty luvuissa 5.9.2-5.9.4.
5.9.1 Saint Venantin yhtälö eli dynaaminen aaltoyhtälö
Saint Venantin yhtälö (tunnetaan myös nimellä shallow water wave equations), koostuu
jatkuvuusyhtälöstä (14) ja liikemääräyhtälöstä (15). (Zoppou 2001, Lyngfelt 1985). Yhtälöparin on kehittänyt Barre de Saint Venant vuonna 1871 (Mustonen 1986). Yhtälöt
esitetään yleensä ei-konservatiivisessa muodossa, jossa virtausnopeus u = Q/A ja y on
riippuva muuttuja uoman yksikköleveydelle (Zoppou 2001).
Jatkuvuusyhtälö on
Liikemääräyhtälö on
+
(
+
)
=q
+
(14)
− gA = S − S −
(15)
Yhtälöissä q on virtaama [m3/s] kohtisuoraan kanavan poikkileikkausta vastaan, x on
etäisyys [m], A on virtauksen poikkileikkauspinta-ala [m2], t on aika [s], g on painovoiman kiihtyvyys [m/s2], S0 on pohjan kaltevuus [-] ja Sf on kitkakaltevuus [-]. Kitkakaltevuus voidaan arvioida Manningin tai Chezyn yhtälön perusteella. Kitkakaltevuus Manningin yhtälössä on esitetty kaavassa (16), jossa η on Manningin kitkakerroin, R on hydraulinen säde ja K on häviökerroin. (Zoppou 2001).
70
S = K |Q |Q =
| |
(16)
/
Jatkuvuusyhtälö perustuu massan säilymisen lakiin (Zoppou 2001). Massan säilymisen
lain mukaan tietyllä aikavälillä tarkastelukohtaan tulevan ja lähtevän virtaaman erotuksen on oltava yhtä suuri tarkastelukohtaan varastoituneen vesimäärän kanssa. Liikemäärän säilymisen periaatteen mukaan tarkastelukohtaan tulevan ja lähtevän liikemäärän
erotuksen ja kohtaan vaikuttavien ulkoisten voimien summa on yhtä suuri kuin liikemäärän muutos tarkastelukohdassa. Virtausnopeus määräytyy liikemääräyhtälön perusteella. (Zoppou 2001, Mustonen 1986).
Saint Venantin yhtälöt ovat hyperboolisia (Zoppou 2001). Yhtälöiden ratkaiseminen
edellyttää, että alku- ja reunaehdot tunnetaan. (Mustonen 1986). Saint-Venantin yhtälön
numeerista ratkaisua kutsutaan dynaamiseksi aaltoyhtälöksi. Yhtälö ratkaisee Saint Venantin -virtausyhtälöt täydellisesti. Dynaaminen aaltoyhtälö mahdollistaa virtausajan
huomioimisen, veden varastoitumisen verkostoon, verkoston paineistumisen, virtauksen
suunnan vaihtumisen, seisovan veden, paikallishäviöiden ja alapuolisen padotuksen
huomioimisen. (Rossman 2010).
Virtaaman ollessa tasaista, jatkuvuusyhtälö yksinkertaistuu muotoon d(uy)/dx = q, ja
virtaaman liikemääräyhtälö (15) supistuu muotoon (17).
S −S −
=
/
(17)
Tasaisessa virtauksessa vedenpinnankorkeus avouomassa lasketaan ylävirtaan iteratiivisesti. Tämän tyyppistä analyysiä kutsutaan padotuslaskennaksi (backwater analysis).
(Zoppou 2001).
Rossmanin mukaan (2010) dynaamista aaltoyhtälöä käytettäessä aika-askeleen on oltava
pieni, jotta laskenta pysyy tarkkana. Suositeltava aika on sekunneista minuuttiin. Liian
suuri aika-askel johtaa laskennan epästabiiliuteen.
Dynaamista aaltoyhtälöä hyödyntävissä mallissa voi esiintyä numeerista epävakautta.
Tuloksissa tämä on havaittavissa virtaaman tai vesipatsaan paksuuden huomattavana
heiluntana. Mallin numeerista epästabiiliutta voidaan vähentää käyttämällä kinemaattista aaltoyhtälöä (Rossman 2010).
5.9.2 Kinemaattinen aaltoyhtälö
Kinemaattinen aaltoyhtälö on laajasti käytetty yksinkertaistus dynaamisesta aaltoyhtälöstä. Kinemaattisessa aaltoyhtälössä paikka, kiihtyvyys ja painetermit voidaan jättää
huomioimatta. Tämä tarkoittaa, että kitkakaltevuus ja vedenpinnankaltevuus muodostuvat samansuuruisiksi eli Sf = S0. Tämä oletus on voimassa pintavalunnassa ja jyrkissä
kanavavirtauksissa. Kinemaattinen aaltoyhtälö supistuu yhdeksi yhtälöksi (18).
71
+
=
(18)
jossa V on kinemaattisen aallon nopeus tai Kleitz-Seddonin laki. (Zoppou 2001).
Kinemaattinen yhtälö sallii virtaaman vaihtelut ajan ja paikan mukaan, jolloin verkoston
sisällä voi tapahtua viivästymistä ja varastoitumista. Virtaus ei kuitenkaan voi muuttua
paineelliseksi, alapuolista padotusta, paikallishäviöitä kuten nielu- ja purkautumishäviöitä ei voida määrittää. (Rossman 2010).
Rossmanin mukaan (2010) kinemaattisen aaltoyhtälön etu on numeerinen stabiilius useamman minuutin mittaisilla laskennan aika-akselilla, jonka vuoksi yhtälö soveltuu pitkien ajanjaksojen laskentaan.
5.9.3 Stationäärinen eli pysyvä virtaus (steady flow)
Stationäärisessä virtauksessa vesisyvyys, virtausnopeus, paine ym. virtaustekijät eivät
muutu ajan funktiona. Stationäärisessä virtauksessa virtaus on jatkuvaa, eli virtaama on
vakio. Käytettävät virtaamakaavat (vajaa putkivirtaus/avouomavirtaus ja täyden putken
virtaus) ovat samat kuin laskettaessa käsin. (Pohjamo & Hooli 1990).
Stationäärisessä virtauksessa virtausaikaa, muutoksia vesisyvyydessä eli varastoitumista
verkostoon, alapuolista padotusta, poikkipinta-alan muutoksista aiheutuvia häviöitä tai
paikallishäviöitä kuten nielu- ja purkautumishäviöitä ei huomioida. Verkoston risteyskohdista voi olla vain yksi poistumissuunta eikä virtaama voi olla paineellista. Tasaista
virtausta voidaan hyödyntää alustavaan tarkasteluun. (Rossman 2010).
5.9.4 Convex-menetelmä
Convex-menetelmä perustuu tulo- ja purkupisteiden virtaamakäyrien väliseen suhteeseen. Menetelmässä virtaus määritetään virtausnopeuden ja virtausmatkan perusteella.
Menetelmä käyttää ainoastaan edellisen aika-askeleen virtaamatietoja. (Mockus & Styner 1972). Virtaama lasketaan kaavalla 19.
O = cI + (1 − c)O
(19)
jossa O2 on purkuvirtaama [m3/s] hetkellä t2, c on aika-askeleen ja virtausajan suhteeseen perustuva kerroin [-], I1 on tulovirtaama [m3/s] hetkellä t1 ja O1 on purkuvirtaama
[m3/s] hetkellä t1. Aika-askeleen tulee olla virtausaikaa pienempi (0 < c < 1). Virtausaika ei ole vakio vaan nopeuden funktio. Kerroin c [-] voidaan määrittää aika-askeleen
pituuden Δt [s] ja virtausajan K [s] perusteella c = Δt/K. (Mockus & Styner 1972).
Convex-menetelmää on käytetty TR-20 mallinnusohjelmassa uomavirtaaman määrittämiseen. Menetelmä on herkkä käytettyyn aikavälin suhteen, eikä aikavälin pituudelle
72
ole olemassa hyvää teknistä perustetta. Nykyisin TR-20 mallinnusohjelma käyttää Muskingum-Cunge -menetelmää. (USDA 2014).
5.10 Valunta-aika
Valunta-aika tc (time of concentration) kuvaa osavaluma-alueen reunalta purkupisteeseen kuluvaa virtausaikaa. Pienillä valuma-alueilla valunta-aikaan ei vaikuta merkitsevästi kaltevuus tai virtaustapa. Mays:n (2001) mukaan alle 0,4 ha valuma-alueille ei
kannata laskea tarkkaa valunta-aikaa vaan käyttää taulukoituja valunta-aikoja (taulukko
25).
Taulukko 25.
Minimivalunta-aikoja pienille valuma-alueille (MSMA 2000).
Sijainti
Katto- ja kiinteistöviemäröinti
Katujen kaivorakenteet
Alle 0,4 ha valuma-alueet
Valunta-aika
5 min
5 min
10 min
Suuremmilla valuma-alueilla valuma-alueen ja sateen ominaisuudet sekä valunta-ajan
vaikutus purkautuvaan virtaamaan kasvavat. Valunta-ajan määrittämiseksi on kehitetty
useita menetelmiä. Valittu valuntamenetelmä voi vaikuttaa valunta-ajan pituuteen tai
määritystapaan. Esimerkiksi rationaalisessa menetelmässä valunta-ajan tule olla vähintään samansuuruinen kuin sateen keston. EPA:n SWMM-menetelmässä valuntaaikamenetelmää ei voi valita. Useisiin laskentamenetelmiin valunta-ajan voi antaa myös
itse. Yksinkertaisimmillaan aika voidaan laskea virtausnopeuden v ja matkan L suhteessa t = L/v.
Paljon käytettyjä menetelmiä valunta-ajan määrittämiseen ovat kinemaattinen aaltoyhtälö ja TR-55 -menetelmän mukainen osista koostuva valunta-aika.
Kinemattisen aaltoyhtälöön perustuvalla menetelmällä valunta-aika lasketaan kaavalla
(20).
=
−1
1/
(20)
jossa L on virtausmatkan pituus [m], ie on tehokas sadanta [m/s] ja γ on kinemaattisen
aaltoyhtälön parametri. γ:n arvoon vaikuttaa virtausolosuhteet. Turbulenttisessa virtauksessa = √ / ja laminaarisessa = /3 . Yhtälöissä S on kaltevuus [m/m], n on
Manningin karkeuskerroin ja
on kinemaattinen viskositeetti [m2/s]. Kinemaattinen
aaltoyhtälö huomioi sateen vaikutuksen virtausnopeuteen: jos sateen intensiteetin kasvaa, valunta-aika lyhenee. (Karamouz et al. 2010).
TR-55 -menetelmässä valuma-aika koostuu osista: pintavirtausta (sheet flow), matalasta
virtauksesta (shallow concentrated flow), kanavavirtauksesta (channel flow) ja putkivir-
73
tauksesta. Valunta-aika saadaan laskemalla yhteen pisimmän reitin virtausajat. (Brown
et al. 2009, USDA 2010).
Pintavalunta tapahtuu alussa hyvin ohuena kerroksena. Tämän tyylistä virtausta esiintyy
valuma-alueen ylimmillä kohdilla pisimmillään 130 metriä, mutta jää yleensä alle 25
metriin. Ohuena kerroksena tapahtuva pintavalunta lasketaan kinemaattisen aaltoon
perustuvalla yhtälöllä (21). (Brown et al. 2009, USDA 2010).
=
,
∙
,
,
√
(21)
jossa tsf on valunta-aika [min], n on Manningin karkeuskerroin, L on virtausmatka [m], I
on sateen intensiteetti [mm/h] ja S on pinnan kaltevuus [m/m]. Valuva vesi pyrkii muodostamaan pieniä puroja, joissa virtausaika lasketaan yhtälöllä (22). (Brown et al. 2009,
USDA 2010).
=
∙
=
∙
(22)
,
jossa tscf on valunta-aika [s], k on maankäytöstä johtuva kerroin ja Sp on kaltevuus [%].
Virtausaika ojissa, kanavissa ja vajaassa putkessa lasketaan Manningin kaavalla (23).
(Brown et al. 2009).
/
∙
/
(23)
jossa tocf on valunta-aika [s], L on virtausmatka [m] ja S on keskimääräinen kaltevuus
[m/m]. Esimerkkejä muista, paljon käytetyistä laskentamenetelmistä on koottu taulukkoon 26. Taulukossa pituus lasketaan jalkoina ja maileina.
74
Taulukko 26.
Valunta-ajan (Tc) laskentamenetelmät. Yhtälöissä Lf on pituus jalkoina,
Lmi on pituus maileina, Sp on kaltevuus prosentteina ja S on kaltevuus
[ft/ft].
Menetelmä
Carter
Tc [h]
Merkkien selitykset
2
2
Eagelson
Espey/Winslow2
FAA2
Kerby/Hathway1
1
Kirpich
SCS Lag1
Papadis and
Kazan1
1
2
USDA 2010 Manual B
,
1,7 ∙
0,0001852
,
∙
∙n∙
0,52Φ 0,29 ∙
1,8(1,1 − C)
2,2
/
,
0,0007
,
0,66
,
,
,
,
,
∙
,
∙
/
∙ ( + 1)
1,900
S on kaltevuus [ft/mi]
/
,
,
,
,
∙
,
,
Φ on Espeyn kanavointikerroin,
Ip on päällystämättömän pinnan
osuus [%]
C on rationaalisen menetelmän
valumakerroin
N on virtaaman hidastumiskerroin
,
S=1000/CN-10, jossa CN on viipymäkerroin
,
i on tehokkaan sateen intensiteetti
[in/h]
Taulukossa esitetyissä menetelmissä valunta-aika lasketaan kaltevuuden ja pituuden
perusteella. Ainoastaan Papadis ja Kazan -menetelmä huomioi sateen intensiteetin vaikutusta virtausnopeuteen. Kaikilla menetelmillä on omat rajoituksensa. Esimerkiksi
Kirpich-menetelmä on kehitetty pienille valuma-alueille. Alueella valunta on pääasiassa
maanpäällistä ja menetelmää sovellettaessa virtausmatkan tulee olla alle 300 m. (USDA
2010).
5.11 Paikallishäviöt hydraulisessa laskennassa
Paikallishäviöitä muodostuu virtausolosuhteiden muuttuessa, esimerkiksi putken koon
muuttuessa, mutkissa, venttiilien kohdalla, kaivoissa tms. Paikallishäviöiden suuruuteen
vaikuttavat muutoksen suuruus ja putken/uoman koko. Paikallisvastukset lasketaan
yleensä kokeellisesti määritettyjen arvojen, taulukoiden tai kaavojen avulla. (Karttunen
& Tuhkanen 2003).
Huleveden virratessa kaivoon, altaaseen tai järveen tai pois ko. rakenteesta, muodostuu
nielu- ja purkautumishäviötä. Yksinkertaisimmillaan häviö voidaan antaa virtaamasta
riippumattomana vakiona. Yleensä häviö lasketaan virtaamaan suhteutettuna. Uoman
koko ei vaikuta muodostuviin nielu- ja purkautumishäviökertoimiin. (Karttunen & Tuhkanen 2003). Erilaisia menetelmiä on esitetty luvuissa 5.11.1-5.11.3. Häviöt lasketaan
yleensä kertoimien ja nopeuskorkeuden v2/2g perusteella.
75
5.11.1 Yleinen ja geneerinen häviökaava
Yleinen häviökaava (24) ja geneerinen häviökaava (25) perustuvat käyttäjän antamaan
vastuskertoimeen K [-] ja nopeuskorkeuteen. Tulos hp saadaan metreinä. Yleinen häviökaava perustuu yhteen kertoimeen. Geneerisessä menetelmässä häviö lasketaan nielu- ja purkautumiskertoimen erotuksena.
h =K∙
h =K ∙
(24)
−K ∙
(25)
Yleisessä häviökaavassa (24) K on vastuskerroin [-], v on virtausnopeus putkessa [m/s]
ja g on painovoiman kiihtyvyys [m/s2]. (Hooli & Pohjamo 1990, Karttunen & Tuhkanen
2003, UDFCD 2009).
Geneerisessä häviökaavassa (25) K0 on purkautumiskerroin [-], v0 on purkuputken virtausnopeus [m/s], K1 on nielukerroin [-], v1 on tuloputken virtausnopeus [m/s] ja g on
painovoiman kiihtyvyys [m/s2]. (UDFCD 2009).
5.11.2 HEC-22
HEC-22 (Hydraulic Engineerin Circular No 22) on USA:n liittovaltion tiehallinnon
FHWA:n (Federal Highway Administration) julkaisema suunnitteluohjeistus. Paikallishäviöiden laskenta perustuu yleiseen kaavaan (24). Häviökerrointa varten on määritetty laboratorio-olosuhteissa viisi korjauskerrointa (kaava 26). Menetelmää ei voi hyödyntää tilanteissa, joissa tuloputken vesijuoksun korkeus on vedenpinnantason alapuolella tai virtaama määräytyy tulojärjestelyiden perusteella. (UDFCD 2009).
K=K ∙C ∙C ∙C ∙C ∙C
(26)
jossa K on korjattu vastuskerroin ja K0 on kaivon kokkoon suhteutettu vastuskerroin.
Korjauskertoimia viisi: putken halkaisija CD, vesipatsaan paksuus Cd, suhteellinen virtaama CQ, upotusvirtaama Cp ja tuloaukon sijainti CB. Kaikki kertoimet ovat yksiköttömiä. (UDFCD 2009).
5.11.3 AASHTO
AASHTO (American Association of State Highway and Transportation officials) julkaisemassa suunnitteluohjeistuksen nielu- ja purkuhäviöiden laskenta perustuu kaavaan 27.
h = (h + h + h ) ∙ C ∙ C
(27)
76
Menetelmässä rakenteen painehäviö hs [m] koostuu kolmesta yhteenlaskettavasta häviöstä (i) supistumishäviöstä hc, [m] (ii) kaarevuushäviöstä hb [m] ja (iii) laajentumishäviöstä he [m]. Häviöiden summa kerrotaan avouomavirtauksen korjauskertoimilla Cn [-] ja
muokkauskertoimella Cs [-]. (UDFCD 2009).
5.12 Lähtötietojen tarkkuus
Yleensä mallinnus joudutaan tekemään epätäydellisten lähtötietojen perusteella. Alueellisesta sadannasta ei ole riittävästi tietoa, maaperän imeytyminen, painannesäilynnän
määrää tai valuntakerroin valitaan kirjallisuusarvoihin perustuen.
Mallinnusta varten tietoja joudutaan yksinkertaistamaan ja yleistämään laskennan helpottamiseksi. Tämä tulee muistaa tulosten analysoinnissa.
77
6. MENETELMÄT
6.1
Mallinnusohjelmat
Vertailuun valittiin kaksi mallinnusohjelmaa: ohjelma A ja B. Molemmat ohjelmat ovat
kaupallisia ja sovellukset ovat maailmanlaajuisessa käytössä. Molemmat ohjelmat perustuvat linkkeihin ja solmupisteisiin pohjautuvaan mallintamiseen, jota voidaan hyödyntää hydrologian, hydrauliikan ja vedenlaadun mallintamiseen. Linkki on mallissa
hydraulinen elementti, kuten oja, kanava tai putki, joka kuljettaa virtaamaa eteenpäin.
Solmupiste on kohta, joka yhdistää linkit toisiinsa. Solmupisteen kohdalla voi sijaita
kaivo, pumppu tai varastointielementti kuten lampi. Solmupiste voi kuvata myös linkin
linjauksen muutoskohtaa.
Käyttöohjeiden perusteella ohjelma A on suunniteltu hulevesien ja viemärivesien mallintamiseen. Ohjelma B on suunniteltu suurimmaksi osaksi paineellisesta viemäreistä
koostuvan verkoston mallintamiseen. Ohjelmassa on kuitenkin hulevesien mallinnukseen soveltuvia työkaluja ja mahdollisuuksia hankkia lisäosia (laskentamenetelmiä) parantamaan hulevesimallinnuksen laskentaominaisuuksia. Vertailun tavoitteena on selvittää ohjelmien käyttömahdollisuudet ja rajoitukset sekä verrata mallinnusohjelmien käyttöominaisuuksia. Vertailun perusteella myös tarkastellaan edellyttääkö ohjelman B hyödyntäminen lisäosien hankintaa.
Molemmat ohjelmat toimivat itsenäisessä ns. stand alone -käyttöliittymässä. Lisäksi
ohjelmaa B voidaan käyttää sekä Microstation- että AutoCAD- ympäristössä. Ohjelmien vertailu tehdään stand alone -ohjelmaversioilla.
Vertailu tehdään mallintamalla molemmilla ohjelmilla kaksi esimerkkitapausta samoilla
mallinnusparametreilla. Tulosten erojen lisäksi verrataan ohjelmien helppokäyttöisyyttä
ja tulosten esitettävyyttä.
6.2
Ohjelmien perusominaisuudet
Molempien ohjelmien perusominaisuudet, kuten käytettävissä olevat tärkeimmät laskentamenetelmät on koottu taulukkoon 27. Molemmilla ohjelmilla pystytään mallintamaan pysyvää virtausta (steady state) tai simuloimaan yhtä tai useampaa sadetapahtumaa.
78
Taulukko 27.
Mallinnusohjelmien perusominaisuuksia. Taulukossa UH (unit hydrograph) tarkoittaa virtaaman aikakäyrää.
Laskentaominaisuudet
Ohjelma A
Ohjelma B
Yksiköt
SI virtaamayksiköt
SI, US
l/s, m3/s, m3/d
Käyttötarkoitus
Verkoston analysointi
Putken koon optimointi
Stationäärinen virtaus
Kinemaattinen aaltoyhtälö
Dynaaminen aaltoyhtälö
SWMM
Rational
Modified Rational
DeKalb Rational
Santa Barbara UH
SCS TR-20 ja TR-55
HEC-1
UK Modified Rational
Carter
Eagelson
FAA (Federal Aviation Agency)
Harris County (TX)
Kirpich
Papadakis-Kazaan (Az)
SCS TR-55
Käyttäjän määrittelemä
SI, US
l/s, l/min, l/h, l/d, m3/s, m3/min,
m3/h, m3/d
Verkoston analysointi
Verkoston suunnittelu
Stationäärinen virtaus
EPS: kapasiteetti/backwater (menetelmänä Convex)
SWMM
ILSAX
Modified Rational
Aika-pinta-ala
Yksikkövaluntakäyrämentelmät:
Generic, RTK, SCS, käyttäjän määrittämä
Hydraulinen
laskenta
Valunta
Valunta-aika (tc)
Vajaan putken
virtaus,
avouomavirtaus
Manning
Painelinja
Darcy-Weisbach
Hazen-Williams
Rummut
FHEA: Hydraulic Design of Highway Culverts
Putkeen syötetty nielu- ja
purkuhäviökerroin
Paikallishäviöt
Carter
Eagelson
Espey-Winslow
FAA (Federal Aviation Agency)
Kerby-Hathaway
Kirpich (PA) ja (TN)
Pituus ja virtausnopeus
SCS Lag ja TR-55
Friendsin yhtälö
Kinemaattinen aalto
Bransby-Williamsin yhtälö
UK standardi
Käyttäjän määrittelemä
Darcy-Weisbach
Hazen-Williams
Kutters
Manning
Darcy-Weisbach
Hazen-Williams
Manning
absoluuttinen (vakio arvo)
yleinen
geneerinen
virtaama-häviö käyrä
ASHTOO
HEC-22
79
Verkostoon johdettava virtaama voidaan tuottaa valuma-alueelle annettujen ominaisuuksien ja valitun sateen perusteella. Tulovirtaama voidaan syöttää verkostoon myös
suoraan esimerkiksi tarkastuskaivojen kautta. Virtaamatieto voidaan antaa vakiovirtaamana tai ajan suhteen muuttuvana virtaamana kuten virtaaman aikakuvaajana (hydrograph load) tai keskimääräisen virtaaman suhteen esitettynä kuvaajana (pattern load).
Molemmilla ohjelmilla on valittavana useita laskentamenetelmiä valuntahydrologian
sekä valuma-ajan määrittämiseksi. Kaikki laskentamenetelmät eivät ole keskenään yhteensopivia, vaan valittu valuntamenetelmä vaikuttaa käytettävissä oleviin muihin laskentamenetelmiin.
Kaikki laskentamenetelmät mahdollistavat yhdestä sateesta muodostuvan hulevesimäärän arvioimisen. SWMM-menetelmällä on lisäksi mahdollista mm. tehdä pitkän aikavälin simulaatiota, mallintaa haitta-aineiden kulkeutumista, pohjaveden vuotamista verkostoon ja lumensulantaa.
Ohjelmassa A on käytettävissä tarkempaan mallinnukseen soveltuva laskentamenetelmä
kuin ohjelmassa B. Ohjelmassa B on useampia laskentamenetelmiä valittavana niin valuntamenetelmän, -ajan kuin häviöidenkin suhteen. Hydrauliset laskentamenetelmät
esitetään tarkemmin seuraavassa luvussa.
6.3
Hydraulinen laskenta
Ohjelman A hydraulisessa laskennassa voidaan käyttää dynaamista aaltoyhtälöä, kinemaattista aaltoyhtälöä tai stationääristä virtausta. Virtaushäviöt lasketaan valitun laskentamenetelmän mukaisesti. Kitkahäviö lasketaan Manningin yhtälöllä. Painelinjoissa
käytetään Hazen-Williamsin tai Darcy-Weisbachin yhtälöä.
Ohjelma A laskee ensin hydraulisen gradientin (HGL) ja huippuvirtausnopeudet putkeen tulevalle ja lähtevälle virtaamille. Energiagradientti (EGL) lasketaan lisäämällä
nopeuskorkeus hydrauliseen gradienttiin.
Paikallishäviöt, kuten nielu- ja purkautumishäviöt lasketaan erikseen, koska energiayhtälö ei ole voimassa kaivossa. Paikallishäviöt lasketaan yhtälöllä (28) käyttäjän syöttämien nielu- ja paikallishäviökertoimien avulla.
H =
∙V ∙
(28)
jossa K on häviökerroin (nielu tai purkuhäviö) [-], L kaivon halkaisija [m], Ve on virtausnopeus tulo- tai lähtölinjassa [m/s], Q on virtaama [m3/s] ja A on virtaaman pintaala [m2]. Kaivon kokonaishäviö on nielu- ja purkuhäviöiden summa.
Ohjelma A laskee rumpujen virtaaman Federal Highway Administration (FHEA) julkaisun Hydraulic Design of Highway Culverts mukaisesti.
80
Ohjelma B käyttää hydraulista gradienttia asteittain muuttuvan virtaaman laskennan
perusteena. Energiaviiva lasketaan hydraulisesta gradientista nopeuskorkeuden avulla.
Laskentatavasta johtuen energiaviivassa voi olla epäjatkuvuutta. Laskennassa rakenteet
analysoidaan erikseen putkesta. Mallinnettaessa vaihtelevaa virtaamaa ohjelma B jakaa
uomavirtaukset viiteen kaltevuusluokkaan ja kolmeen alueluokkaan (kuva 43). Kaltevuusluokka kuvaa uoman kaltevuutta verrattuna kriittiseen kaltevuuteen. Luokka voi
vaihdella virtaaman mukaan. Kaltevuusluokat ovat:
·
·
·
·
·
negatiivinen kaltevuus
tasainen kaltevuus
loiva kaltevuus (uoman kaltevuus pienempi kuin kriittinen kaltevuus)
krtiittinen kaltevuus ja
jyrkkä kaltevuus (uoman kaltevuus suurempi kuin kriittinen kaltevuus).
Virtaama on verkasvirtausta ensimmäisissä neljässä vaihtoehdossa. Viidennessä luokassa virtaama on kiitovirtausta, ellei vedenpinnankorkeus linjan purkupäässä muuta virtausolosuhdetta verkasvirtaukseksi. Alueluokat 1-3 määräytyvät virtaaman vesisyvyyden suhteesta vakiosyvyyteen (stationäärisen eli tasaisen virtauksen syvyys) ja rajasyvyyteen. Virtaaman syvyys on alueluokassa:
1. vakiosyvyyden ja rajasyvyyden yläpuolella
2. vakiosyvyyden ja rajasyvyyden välillä
3. molempien alapuolella.
81
Kuva 43. Kaltevuusluokat ja alueluokat (Ohjelma B:n manuaalin mukaan teoksesta
Chow 1959). Kuvassa yc on kriittinen syvyys, yn on vakiosyvyys ja y on virtaaman syvyys.
Ohjelma B käyttämä energiayhtälö (29) perustuu Bernoullin energiayhtälöön. Bernoullin yhtälön asemaenergia mgh on muutettu lisätyksi energiaksi hp (esim. pumppaus) [m]
ja paikallishäviöiksi hL [m]. Avuoumavirtauksessa paine putken alku- ja loppupäässä on
82
nolla eikä lisättyä energiaa ole. Tasapainotus tehdään myös laskettaessa asteittain muuttuvaa virtaamaa.
+z +
+h =
+z +
+h
(29)
jossa painekorkeus on p/γ, nopeuskorkeus on v2/2g, hp on lisätty energia [m] ja hL on
paikallishäviö [m].
Padotuslaskennassa (Backwater analysis) laskenta aloitetaan purkupisteestä, josta edetään ylävirtaan. Purkupisteen olosuhteeksi voidaan valita vapaa purku, vedenpinnankorkeus putken yläreunan tasolla tai käyttäjän määräämällä korkeudella. Kaivojen tulviessa
paineviivan korkeus on maanpinnan korkeus tai kaivon korkeus. Ohjelma laskee jyrkät
putkiosuudet virtaamasuunnassa (Frontwater analyysi), koska putken virtaama määräytyy tulorakenteen perusteella. Frontwater analyysiä jatketaan putkiosuuden loppuun tai
kohtaan jossa saavutetaan normaali syvyys tai johon on muodostunut vesikynnys.
Vesikerroksen paksuus uomassa vaikuttaa virtausnopeuteen. Putken ollessa täysi, virtausnopeus lasketaan täyden putken virtaamana. Virtausnopeus lasketaan yhtenäisenä
virtaamana, kun vesikerroksen syvyys vastaa vakiosyvyyttä. Virtausnopeus voidaan
laskea yksinkertaisena, keskimääräisenä virtausnopeutena, joka ei huomioi virtaaman
syvyyden muutoksia. Painotettua keskimääräistä virtausnopeutta varten putken pituus
jaetaan osiin pituuden suhteen ja virtausnopeus lasketaan painotettuna keskiarvona. Viipymä putkessa lasketaan virtausnopeuden ja putken pituuden perusteella.
Kapasiteettianalyysissä laskenta suoritetaan purkupisteestä virtaamaa ylöspäin, mutta
laskennassa hyödynnetään täyden putken kapasiteettia ja alavirtaaman hydraulista korkeustasoa (purkupisteessä vapaa purkautuminen). Kapasiteettianalyysi antaa karkeamman arvion virtausolosuhteista Backwater analyysiin verrattuna.
Kitkahäviö HL [m] lasketaan tarkasteluosuuksittain keskimääräisen kitkakaltevuuden
Savg [-] ja tarkasteluosuuden pituuden Δx [m] perusteella kaavalla (30).
H =S
∙ ∆x =
∙ ∆x
(30)
jossa kitkakaltevuus tarkasteluosuuden alussa on S1 ja lopussa S2. Virtaaman syvyys
lasketaan iteroimalla kitkakaltevuuden perusteella. Laskennassa virtaaman syvyydelle
annetaan oletusarvo, jonka perusteella ratkaistaan segmentin pituus. Laskennassa huomioidaan kohdat, joissa putki on täynnä ja virtaama kyseisessä kohdassa on paineellista.
Täyden putken profiili muodostuu, kun virtaama on samansuuruinen tai suurempi mitä
putkiosuuden kapasiteetti.
Kaivoissa muodostuvat nielu- ja purkautumishäviöt voidaan määrittää kuudella eri laskentamenetelmällä (taulukko 27). Laskentamenetelmistä on lisäksi erilaisia variaatioita
83
riippuen kaivon pohjan muotoilusta yms., jolloin laskentatapojen määrä on 16. Käytettävissä voi olla useita laskentamenetelmiä samanaikaisesti ja laskentamenetelmän voi
valita kaivokohtaisesti.
Ohjelman B laskentamenetelmä mahdollistaa erimittaisten aika-askelten valinnan veden
valunnan sekä vietto- ja paineviemärin mallintamiseen.
Ohjelmaan on saatavilla lisäosana tarkempia laskentamenetelmiä. Lisäosan myötä käyttöön saa SWMM-menetelmän laskenta-algoritmin ja ohjelman tuottaman oman SaintVenantin yhtälöön perustuvan laskentamenetelmän.
6.4
Mallin rakentaminen
Mallin rakentaminen ”käsin” ohjelmalla A on esitetty luvussa 6.4.1 ja ohjelmalla B luvussa 6.4.2. Malli voidaan rakentaa myös tuomalla tietoja ohjelmaan suoraan. Ohjelmien tuontiominaisuudet on esitetty ohjelmien ominaisuuksien vertailun luvussa 7.2.15.
6.4.1 Ohjelma A
Mallin rakentaminen alkaa ohjelmassa A valitsemalla käytettävät yksiköt ja halutut laskentamenetelmät (kuva 44). Laskenta voidaan tehdä Saint Venantin aaltoyhtälön sovelluksilla (dynaaminen, kinemaattinen aaltoyhtälö tai pysyvä virtaus). Nimeämistä varten
voi valita käytettävät lyhenteet ja luoda oletusarvot luotaville elementeille.
Kuva 44. Ohjelma A, mallinnuksessa käytettävät laskentamenetelmät.
84
Alussa valittuja yksikköjä ei voi muuttaa kesken mallinnusta, koska syötetyt arvot eivät
muunnu automaattisesti yksikköä vaihdettaessa. Valittavia yksikkövaihtoehtoja esimerkiksi virtaaman suhteen on kolme kappaletta SI yksikössä.
Tehdyt laskentamenetelmien valinnat vaikuttavat elementteihin syötettäviin ominaisuuksiin. Elementtiin täytettävät tiedot päivittyvät vastaamaan valittua laskentamenetelmää. Kuvassa 45 on esitetty valuma-alueen täytettäviä tietoja kahdella eri laskentamenetelmällä.
Kuva 45. Laskentatavan vaikutus elementteihin syötettäviin lähtötietoihin ohjelmassa A.
Vasemmalla osavaluma-alueisiin syötettävät tiedot, kun hydrauliseksi menetelmäksi on valittu SWMM ja suotautuminen lasketaan Hortonin metodilla.
Oikean puoleiseen kuvaan laskentamenetelmiksi on valittu Modified Rational
hydraulinen menetelmä ja Kirpichin valuma-aika menetelmä.
Kun perusasetukset on määrätty, voidaan aloittaa mallin rakentaminen. Malli voidaan
rakentaa piirtämällä halutut solmupisteet, linjat ja osavaluma-alueet ohjelmalla esimerkiksi taustakartan päälle tai ohjelmaan voidaan tuoda tietoja (verkostokartta, solmupisteen koordinaatit tai osavaluma-alueet) suoraan muista ohjelmista. Mallin rakentamiseen käytettävät työkalut on esitetty kuvassa 46.
Luo ASCII raportti
Luo Excel raportti
Luo pdf raportti
Luo yhden pisteen aikakuvaaja
Luo profiili
Aloita muutosten seuraaminen
Lopeta muutosten seuraaminen
Valinta-työkalu
Muokkaa linjan taitepisteitä
Valitse monikulmio
Teksti
Mittaa
Mittaa pinta-ala
Zoomaus
Zoomaa edellinen
Zoomaa lähemmäksi
Siirrä näkymää (pan)
Lukitse koordinaatit
Sademittari
Valuma-alue
Solmupiste
Purkupiste
Virtauksenjako
Läpivienti
Viivytysrakenne
Linkki
Pumppu
Purkuaukko
Pato
Purkuputki
85
Kuva 46. Työkalut mallin rakentamiseen, Ohjelma A
Käsin piirrettäessä malliin luodaan ensin solmupisteet kuten kaivot, viivytysrakenteet ja
pumput. Solmupisteisiin syötetään korkeustiedot kuten linjan liitoskorkeus, kaivonkannen korkeus yms. Linkki-työkalulla luodaan linja solmupisteiden välille. Linkin ominaisuuksista valitaan onko kyseessä painelinja, viettolinja, rumpu, oja vai kanava. Linkki
ottaa suoraan liitoskorkeustiedot solmupisteistä. Solmupisteiden korkeustiedot voidaan
myös hakea linkin ominaisuusikkunan vesijuoksu-painikkeen tai suunnitteluvalikon
kautta.
Osavaluma-alueet piirretään ja alueen purkupiste (yleensä verkoston solmupiste) linkitetään alasvetovalikosta valuma-alueen tietoihin. Solmupisteet kannattaa nimetä lyhyesti,
jotta linkin nimet mahtuvat alasvetovalikon näkymään. Valitusta valuntamenetelmistä ja
laskentatavoista riippuen täytetään tarvittavat ominaisuustiedot osavaluma-alueiden
tietoihin.
Mikäli linjoja tai alueita muokkaa, tiedot voi päivittää suunnitteluvalikon käskyllä laske
pinta-alat tai pituudet uudestaan. Yksittäiset, verkostoon kuulumattomat, yksinäiset
solmupisteet voi tuhota muokkausvalikon käskyllä tuhoa yksinäiset solmupisteet.
Mallinnuksessa käytettävä sade luodaan valitusta laskentamenetelmästä riippuen sademittari kuvakkeella tai sateen toistuvuuskäyrien (IDF) kuvakkeella. Käytettäessä sademittari -sadetta, osavaluma-alueille voidaan määrittää erilaiset sadetapahtumat, jolloin
haluttu sadetapahtuma linkitetään osavaluma-alueen ominaistietoihin. IDF-sade on koko
valuma-alueelle aina sama.
6.4.2 Ohjelma B
Ennen mallin rakentamista tehdään yleiset määritykset käytettävistä yksiköistä (SI/US)
ja mallin esitystavasta (mittakaava/kaaviomainen). Tehtyjä yksikkövalintoja voidaan
muuttaa kesken mallinnuksen, koska ohjelma muuntaa jo syötetyt arvot uuteen yksikköön. Valittavia yksiköitä on paljon, esimerkiksi virtaamayksiköitä on 30 kpl. Valittuna
86
voi olla sekä SI että US järjestelmän yksiköitä samanaikaisesti. Mallin rakentamista
varten käytettävissä olevat työkalut on esitetty kuvassa 47.
Valintatyökalu
Vietto-painelinja
Kanava
Kouru
Kaivon kansirakenne
Kaivo
Painelinjan purkukaivo
Poikkileikkaus
Purkupiste
Valuma-alue
Luonnonmukainen hallintamenetelmä
Lampi
Lammen purkurakenne
Pumppu
Pumpun tulokaivo
Paineviemärin risteys
Pumppaus asema
Variable speed pump battery
Ilmaventtiili
Piirrä suorakulmio
Teksti
Piirrä viiva
Kuva 47. Ohjelma B, piirtotyökalut
Mallin piirtäminen tapahtuu vietto-painelinja -kuvakkeella. Ensin valitaan halutaanko
piirtää paine vai viettolinja, jonka jälkeen hiiren oikealla valitaan haluttu solmu ja linkkityyppi. Uusi solmu lisätään hiiren vasenta nappia painamalla ja samalla ohjelma piirtää linjan solmupisteiden väliin.
Solmupisteisiin syötetään halutut korkeustiedot, häviö- ja virtaamatiedot yms. Ohjelmassa on oletuksena, että kaivon kannenkorkeus on maanpinnan tasolla ja putket liittyvät solmupisteisiin annettujen vesijuoksun korkeuksien mukaisesti. Poikkeavissa tilanteissa vesijuoksun ja/tai kannen korkeus valitaan käyttäjän määrittelemäksi, jolloin haluttu korkeus annetaan manuaalisesti.
Valuma-alueet piirretään valuma-alue työkalulla. Valunta-alueeseen syötettävät ominaisuudet päivittyvät vastaamaan tehtyjä laskentamenetelmiä – näkyviin jäävät vain valittuihin menetelmiin liittyvät ominaisuudet. Valuntahydrologiaa ja valuma-aikaa vastaavat ohjelma B:n ominaisuusikkunat on esitetty kuvassa 48.
87
Kuva 48. Laskentatavan vaikutus elementteihin syötettäviin lähtötietoihin ohjelmassa B.
Vasemmalla osavaluma-aluiesiin syötettäävät tiedot kun hydrauliseksi menetelmäksi on valittu SWMM ja suotautuminen lasketaan Hortonin metodilla.
Oikean puoleiseen kuvaan laskentamenetelmiksi on valittu Modified Rational
hydraulinen menetelmä ja Kirpichin valuma-aikamenetelmä.
Kun tarkasteltavan valuma-alueen ja verkoston perusominaisuudet on syötetty malliin,
voidaan ohjelmaan rakentaa erilaisia tarkastelutilanteita. Tarkastelutilanteet muodostuvat skenaarioista (tarkastelutilanne) ja vaihtoehdoista (tilanteen ominaisuudet). Ominaisuudet on jaettu 16 valikkoon, joista perus mallinnuksista käytetyimpiä ovat aktiivisuus
(onko elementti mukana mallinnuksessa), fysikaaliset ominaisuudet (halkaisija, karkeuskerroin, korkeudet…), rajaolosuhteet (esim. purkupisteen vedenpinnankorkeus),
hydrologia (käytetty valumamenetelmä, valunta-aika…). Tarkastelutilanteita varten
ohjelmaan voidaan luoda vaihtoehtoja kuten erilaisia putkien halkaisijoita, korkeustasoja, sadetilanteita, valunta-aikoja yms., joista halutut ominaisuusyhdistelmät valitaan
mallinnettaviin skenaarioihin.
Ennen mallintamista määritetään käytettävät laskentaominaisuudet - kuten analysoidaanko rakennettua mallia, suunnitellaanko uutta verkostoa, simuloidaanko vai
tarkastellaanko pysyvää vai muuttuvaa virtausta ja valitaan aika-askeleen pituus.
88
6.5
Mallinnustilanteet
Ohjelmien perusominaisuuksia vertailtiin manuaalista saatujen tietojen pohjalta. Teoreettisen vertailun lisäksi ohjelmien käytettävyyttä ja mallinnustulosten eroja vertailtiin
mallintamalla kaksi samaa hulevesien muodostumistilannetta molemmilla ohjelmilla.
Toinen mallinnustilanteista määritettiin myös hulevesioppaan mukaisella käsinlaskennalla.
Ensimmäisessä mallinnustilanteessa verrataan nykyisen peltoalueen kaavoituksen vaikutuksia muodostuviin hulevesivirtaamiin ja viivytystarpeen suuruutta. Toisessa tilanteessa tarkastellaan rakennetun keskusta-alueen hulevesiverkoston riittävyyttä johtaa
nykyiset mitoitussateet. Mallinnustilanteiden tarkempi kuvaus on esitetty luvuissa 6.6 ja
6.7. Ohjelmien vertailussa käytetyt laskentaominaisuudet on koottu lukuun 6.8. Mallinnusohjelmien lisäksi mallinnustilanteen 1 viivytystarve lasketaan myös Hulevesioppaan
(2012) mukaisella ohjeistuksella.
EIA-menetelmän (Sillanpää 2013) mukainen viivytystilavuuden tarve määritettiin molemmille mallinnustilanteille. Menetelmässä sateen määrä on 16 mm ja hulevettä muodostuu ainoastaan viemäriin suoraan yhdistetyiltä tiiviiltä alueilta. Toteutettu menetelmän sovellus on esitetty luvussa 6.9.
6.6
Mallinnustilanne 1: uuden alueen kaavoitus
Nurmijärven Kylänpäähän laadittiin hulevesiselvitys asemakaavan laatimista varten.
Selvityksessä arvioitiin muodostuvia hulevesivirtaamia ja viivytystarvetta kaavamääräyksien ja varauksien laatimiseksi kaavoitusta varten. Kylänpään alue sijaitsee Rajamäen
keskustan läheisyydessä.
Asemakaava-alueen pinta-ala on noin 48 ha. Asemakaava-alue on nykytilanteessa luonnontilaista metsää ja peltoa. Alueelle kaavoitetaan pääosin asutusta, alueen kaakkoisosaan suunnitellaan palvelukorttelia. Ilmakuva kaavoitusalueesta ja asemakaavaluonnos
on esitetty kuvassa 49.
89
Kuva 49. Kylänpään asemakaava-alueen ilmakuva (vasemmalla) ja asemakaavaluonnos (oikealla).
Asemakaava-alueen yläpuolisen valuma-alueen koko on noin 110 ha. Asemakaavoitettava alue sijaitsee Matkunojan valuma-alueella, jonka pinta-ala on noin 19 km2.
Asemakaava-alueelle esitetään toteutettavaksi monivaiheista ja hajautettua hulevesien
hallintajärjestelmää. Hulevesien hallinta alkaa tonttien ja korttelien sisälle rakennetusta
hajautetusta järjestelmistä ja jatkuu yleisillä alueilla hulevesien johtamisella, viivyttämisellä ja käsittelyllä.
Mallinnustilanne
Korttelialueilla muodostuvat hulevedet kerätään asutusalueilta hulevesiviemäreitä pitkin
viheralueilla sijaitsevien painanteiden tai puromaisten avo-ojien kautta keskitettyihin
hulevesien viivytysrakenteisiin. Viheralueelle on varattu tilaa neljälle hulevesilammikolle (aluuen 1 lammikot on laskettu yhtenä lammikkorakenteena). Valuma-aluejako,
sekä keskitettyjen viivytysrakenteiden sijainti on esitetty kuvassa 50.
90
Kuva 50. Valuma-aluejako ja keskitettyjen viivytysrakenteiden sijainti Kylänpään asemakaava-alueella. Valuma-alueen 1 lammikot on laskettu yhtenä rakenteena.
Mallinnuksen alueella tarkasteltiin tarvittavaa viivytystilavuutta viheralueilla. Ohjelmavertailua varten valitut mitoitussateet on esitetty taulukossa 28.
Taulukko 28.
Mallinnusvertailussa käytetyt mitoitussateet.
Mitoitussateen toistuvuus
1/5a
1/5a, kasvihuoneilmiön vaikutus
Sateen kesto
[min]
60
60
Sateen intensiteetti
[mm/min] [l/s*ha]
0,32
53
0,38
64
Kertymä
mm
19,2
22,8
Mallinnuksessa avouomat oletettiin nurmipeitteisiksi (Manning 0,07) ja hulevesiviemärit muovisiksi (Manning 0,01). Viivytysrakenteiden vertailutilavuus valittiin käsin laskettuun arvion perusteella.
91
6.7
Mallinnustilanne 2: rakennetun alueen kapasiteetti
Rajamäen keskusta-alueelle suunnitellaan kiertoliittymää ja samalla keskusta-alueen
hulevesiviemäreitä uusitaan. Katusuunnittelualue sijaitsee Tykkimäentien, Patruunantien, Keskusraitin ja Kiljavantien väliin rakennettavan kiertoliittymän läheisyydessä.
Suunnittelualueen hulevesiverkoston läpi virtaa noin 16 ha alueelta muodostuvat hulevedet. Koko tarkastelualueen pinta-ala on noin 21 ha. Rajamäen keskusta sijaitsee Matkunojan valuma-alueella, jonka pinta-ala on noin 19 km2.
Katusuunnittelun lisäksi keskusta-alueelle ei ole suunniteltu huomattavia muutoksia:
vettä läpäisemättömän pinnan osuus ei tule kasvamaan, koska suunnitelmassa uusitaan
nykyisiä katurakenteita. Katusuunnittelualueelta muodostuvat hulevesivirtaamat voivat
kuitenkin kasvaa nykyisestä, koska katujen uudet kuivatusjärjestelmät voivat olla nykyisiä järjestelmiä tehokkaampia Suunnittelualueen sijainti ja hulevesien muodostuminen on esitetty kuvassa 51.
Kuva 51. Suunnittelualue (punaisella), Matkunojan valuma-alue, hulevesien purkureitti
ja Rajamäen I-luokan pohjavesialue (sinisellä).
Suunnittelualueen nykyinen huleveden runkoviemäri kostuu betonisista ja muovisista
halkaisijaltaan 225…400mm hulevesiviemäreistä. Hulevedet johdetaan Patruunantieltä,
Tykkimäentieltä ja Keskusraitilta Kiljavantien ja Kuntolanpolun kautta Rajamäen yläkoulun ja lukion lounaispuolella sijaitsevaan purkuojaan. Keskusraitin eteläpuoleiselta
alueelta hulevedet johdetaan omaa linjaa pitkin samaan purkupisteeseen.
92
Hulevedet johdetaan ojassa Rajamäentien alitse. Rajamäentien jälkeen hulevedet viemäröidään 500B -runkojohtoa pitkin Pillistön urheilukenttien läheisyydessä sijaitsevaan
hulevesialtaaseen.
Ratakujan alueen hulevedet johdetaan rautatien vieressä sijaitsevaan imeytyskaivoon.
Hulevesien imeytyksestä ollaan luopumassa, koska imeytys ei ole toiminut riittävän
tehokkaasti ja alueella on ollut hulevesitulvia. Myös Rajamäen yläkoulun ja lukion kiinteistöillä on havaittu tulvimista puutteellisien hulevesien keräys- ja johtamisjärjestelmien vuoksi.
Kaikkia hulevesiverkostoon liittyneitä kiinteistöjä ei tiedetä. Liitämiskohtailmoitusta ei
löytynyt alueen kaikista kiinteistöistä, ja osaan ilmoituksista ei ole merkitty tietoja hulevesien osalta. Alueen maaperä on pohjaveden muodostumisalueella soraa, suurin osa
alueesta on karkeaa hietaa, alueen lounaisosan maaperä on savea.
Suunnittelualueen käyttöön jäävät sekä uudet hulevesijohdot on esitetty kuvassa 52.
Kuvassa ei näy käytöstä poistuvia verkosto-osuuksia. Kaavoitetut, rakentamattomat
alueet on merkitty ilmakuvaan valkoisella.
93
Viivytysrakenne
Kuva 52. Rajamäen mallinnusalue. Katusuunnittelualueen läpi johdettavat hulevedet
muodostuvat tummennetulla alueella. Suunnittelualueen ja Pillistön urheilukentän välinen alue on esitetty vaalealla. Nykyinen, käyttöön jäävä hulevesiverkosto on merkitty kuvaan tumman vihreällä ja uudet linjat vaaleanvihreällä. Kaavoitetut, rakentamattomat alueet ja uimahallin laajennus on rajattu valkoisella.
Mallinnuksen avulla tarkasteltiin verkoston kapasiteettia, nykyisten linjojen saneeraustarvetta, mitoitettiin uudet hulevesilinjat sekä viivytystilavuudet Rajamäen yläkoulun ja
lukion eteläpuolelle. Mallinnus tehtiin ohjelmalla A. Tarkastelun perusteella valittiin
mitoitussateet ohjelmien vertailua varten. Vertailussa käytettävät mitoitussateet ja sateiden intensiteetit on esitetty taulukossa 29.
94
Taulukko 29.
Käytetyt mitoitussateet mallinnustilanteessa 2. Taulukossa CDS-sade
(Chicago Design Storm) on tehty Rankkasateet- ja kaupunkitulvat
(2008) raportin kuvaajaa (kuvaa 37) mukaillen.
Mitoitettava rakenne ja
sateen toistuvuus
Toistuvuus
[min]
Kesto
[min]
Intensiteetti
[mm/min]
Kertymä
[mm]
0,32
0,60
0,2-2
19,2
9,0
10,8
Viivytysrakenne, 1/5a
1/5a
60
Verkosto, tasainen sade*
1/2a
15
Verkosto, CDS*
1/2a
20
* sateen intensiteetissä on huomioitu kasvihuoneilmiön vaikutus
Mallinnuksessa käytetyt imeynän arvot ovat kirjallisuusarvoja. Arvot on koottu taulukkoon 30. Laskennassa käytetyt rationaalisen menetelmän valumakertoimet, SWMMmenetelmässä käytetyt läpäisemättömän pinnan ja painannesäilynnän arvot on koottu
taulukkoon 31.
Taulukko 30.
Maalaji
Sora
Karkea hieta
Savi
Taulukko 31.
Maankäyttö
Katto
Asfaltti
Sora
Viherpinta
Green ja Ampt -menetelmän imeynnän arvot. Arvot otettu ohjelman A
manuaalista.
hydraulinen johtokyky
[mm/h]
49
30
0,01
Kapillaarinen nostokorkeus
[mm]
120
60
320
Osavaluma-alueiden pintavalunnan määrän laskemiseen käytetyt arvot
SWMM-menetelmässä (TIA eli läpäisemättömän pinnan osuus ja painannesäilyntä) sekä rationaalisen menetelmän valuntakerroin.
TIA
[%]
100
90
40
0
SWMM-menetelmä
Painannesäilyntä
[mm]
0
1
5
7
Rationaaisen menetelmän
valumakerroin
[-]
0,9
0,8
0,3
0,2
Mallinnuksessa on käytetty seuraavia Manningin karkeuskertoimia:
·
·
·
·
Lähtötilanne
[-]
0,4
0,4
0,4
betoniputki
muoviputki
katto- ja asfalttipinta
viherpinta
0,015
0,01
0,015
0,1
Mallinnuksessa ei ole huomioitu pohjavettä.
95
6.8
Ohjelmien vertailussa käytettävät laskentaominaisuudet
Ohjelmien vertailua varten valittiin seuraavat ominaisuudet, jotka on mahdollista toteuttaa molemmilla ohjelmilla:
·
·
·
·
·
·
·
·
6.9
käytetään SI-yksiköitä, virtaamayksikkönä l/s
korkeudet merkitään korkeustasona (elevation)
viettolinjan hydraulisena laskentamenetelmänä käytetään Manningin menetelmää, painelinjan menetelmänä Hazen-Williamsia
valunta lasketaan SWMM-menetelmällä ja sovellettulla rationaalisella menetelmällä
SWMM-menetelmässä imeyntä lasketaan Green ja Ampt -menetelmällä
sovelletun rationaalisen menetelmän valunta-aika on käyttäjän määrittelemä (valunta-aika lasketaan hulevesioppaan mukaisilla virtaamilla)
hydraulinen laskenta joudutaan toteuttamaan eri laskentamenetelmillä. Ohjelmassa A käytetään dynaamista ja kinemaattista aaltoyhtälöä. Ohjelmassa B käytetään EPS:n backwater-laskentaa
paikallishäviönä käytetään ohjelmalla B HEC-22 2.nd edition -verisota. Tulolinja liittyy kaivoon pohjalta tai pohjan yläpuolelta (pohjaa ei muotoiltu). Ohjelmaan A valitaan häviöt käsin linjaosuuskohtaisesti.
Viivytystarve EIA:n perusteella
Viivytystilavuuden tarve määritettiin molemmille mallinnustilanteille ohjelmalla A.
Sateen määrä on laskennassa 16 mm ja hulevettä muodostuu ainoastaan viemäriin suoraan yhdistetyiltä tiiviiltä alueilta (EIA).
Molemmilla mallinnustilanteilla tarkasteltiin ensin pelkän 16 mm sademäärän vaikutusta viivytystarpeeseen. Mallinnuksessa sade oletettiin tasaiseksi ja sateen kestoksi 15, 30
ja/tai 60 minuuttia.
Mallinnustilanteessa 1 (Kylänpää) kortteli- ja katualueilta hulevesien muodostumisen
oletetaan pienentyvän EIA:n ja TIA:n välisen suhteen verran. Muutos on laskettu kuvan
30 mukaisesti: EIA = 1,082TIA-0,133. Lisäksi tarkistellaan paljonko puistoalueiden ja
metsän hulevesikertoimen olettaminen nollaksi vaikuttaa viivytystarpeeseen.
Mallinnustilanteessa 2 (Rajamäki) viivytystarve lasketaan SWMM-menetelmällä. Laskennassa läpäisevien pintojen painannehäviön määrä on 16 mm. EIA:n osuudet lasketaan TIA:n perusteella kuvan 30 mukaisesti. MRM-menetelmässä valumakerroin c lasketaan SWMM-menetelmän TIA:n määrän perusteella kuvan 31 mukaisesti: Cvol =
0,661TIA - 0,069.
96
7. TULOKSET JA TULOSTEN TARKASTELU
7.1
Ohjeistus ohjelmien käyttöön
Molempia ohjelmia varten on saatavilla pdf-muotoinen käyttöohje. Ohjeissa on kerrottu
ohjelman perustoiminnoista ja laskentaperusteista. Ohjelma B:ssä ominaisuus-ikkunan
alareunaan ilmestyy lyhyt kuvaus täytettävästä ominaisuustiedosta, jota ohjelmassa A ei
ole. Usein tuo yhden–kahden lauseen selvennys auttaa muistamaan täytettävän kentän
sisällön ilman manuaalin käyttöä.
Solmupisteiden ja linkkien tietoja annettaessa, ohjelmassa A syötettävän arvon vieressä
olevasta painikkeesta aukeaa ikkuna käytetyistä kirjallisuusarvoista. Kirjallisuusarvojen
lähteet on annettu avautuvan ikkunan alareunassa. Haluttua arvoa ei pysty valitsemaan
suoraan valitsemalla, vaan arvo syötetään ohjelmaan manuaalisesti. Ohjelmassa B vastaavasta arvon vierestä aukeaa linkki alasvetovalikkoon tai materiaalikirjastoon. Valittu
materiaali päivittyy ominaisuuskenttään suoraan, kun valinta on tehty. Tämä edellyttää
kolmea-viittä klikkausta valittavasta ominaisuudesta riippuen. Kuvassa 53 on ote ohjelman A antamista Manningin karkeuskertoimista ja ohjelman B kirjastosta.
Kuva 53. Solmu ja linkkien ominaisuustietojen aputoimintoja. Ohjelmaa A avautuva pdf
ikkuna vasemmalla ja materiaalikirjasto ohjelmasta B oikealla.
7.2
Ohjelmien ominaisuuksien vertailu
Ohjelmien vertailu on jaettu 15 lukuun, joissa esitetään käytettävissä olevat laskentamenetelmät, mallin rakentamistavat, tiedon tuonti- ja vientimuodot sekä tulosten esittämistavat.
97
7.2.1 Mallin rakentaminen
Molemmissa ohjelmissa verkoston ja valuma-alueiden piirtäminen manuaalisesti on
työlästä, varsinkin jos on kyse laajoista verkostoalueista. Mallin rakentamista piirtämällä auttaa taustakuvan tuominen. Käytettävissä olevat taustakuvien tiedostomuodot on
esitetty taulukossa 32.
Taulukko 32.
Taustan tuonti malliin.
Taustatiedosto
Ohjelma A
Ohjelma B
CAD
GIS
Kuva
DWG, DXF
JPEG, TIFF, PNG, Portable BitMap,
Portable GrayMap, Portable PixelMap,
Windows Metafile,
DXF
Esri Shapefile
JPEG, TIFF, PNG, Portable BitMap, GIF, MrSID
Ohjelmaan A pystyi tuomaan suoraan dwg-muotoisen kuvan taustaksi, joka helpottaa
piirtämistä oikeaan mittakaavaan. Ohjelmassa B dxf-muotoon tallennettu tiedosto ei
auennut yhtä laadukkaana, vaan kuva oli hieman vääristynyt.
Ohjelmassa B mallin rakentaminen piirtämällä on ohjelmaa A nopeampaa, koska ohjelmassa pystyy piirtämään samanaikaisesti sekä solmut että linjat. Ohjelmassa A piirtämisen joutuu tekemään osissa: ensin solmut ja vasta sitten linkit.
Molempiin ohjelmiin pystyy tuomaan suoraan koordinaatti- ja aluetietoja. Tiedonsiirto
on käsitelty luvussa 7.2.15.
7.2.2 Tietojen syöttö rakennettuun malliin
Molemmissa ohjelmissa ominaisuustiedot voidaan syöttää yksittäin elementin ominaisuustaulukkoon kaksoisklikkaamalla elementin kuvaketta. Molemmilla ohjelmilla tiedot
voidaan syöttää elementtiryhmittäin taulukkoon, johon tietoja on nopeampi syöttää.
Muokattavia elementtejä voidaan myös valita erilaisten rajausten avulla.
Molemmilla ohjelmilla useamman elementin arvoja pystyy muuttamaan samanaikaisesti. Ohjelmassa A muokkaustoiminto on hivenen monimutkaisempi: ensin pitää tehdä
aluerajaus, jonka jälkeen valitaan rajatun alueen sisältä muokattava elementtityyppi ja
sen ominaisuus. Ohjelmassa B muokkaukset pystyy tekemään heti ominaisuustaulukosta samanaikaisesti kaikkiin tai haun/suodatuksen kautta valittuihin elementteihin.
7.2.3 Syötetyn tiedon muuttaminen
Tietoa muutettaessa uusi tieto syötetään vanhan tiedon päälle samalla tavalla kuin syötettäessä tietoja ensimmäistä kertaa. Muutettaessa osavaluma-alueen pinta-alaa tai linkin
pituutta, ohjelma B päivittää muuttuneet lähtötiedot heti, ohjelmassa A muutokset päi-
98
vittyvät vasta erillisellä käskyllä. Jos erillistä päivityskäskyä ei anna, ohjelma A tekee
mallinnuksen vanhentuneella tiedolla.
Solmupisteiden sijaintia voidaan muuttaa siirtämällä niiden sijaintia kartalla tai muuttamalla niiden koordinaattitietoja. Ohjelmassa A koordinaattitietoja pääsee muuttamaan
valitsemalla hiiren oikeanpuolen valikosta edit coordinates. Ohjelmassa B koordinaattitiedot ovat samassa taulukossa muiden ominaisuuksien kanssa.
Osavaluma-alueen muotoa pystyy muuttamaan ohjelmassa B valitsemalla halutun osavaluma-alueen aktiiviseksi ja siirtämällä alueen reunapisteitä. Ohjelmassa A ensin aktivoida muokkaustoiminto pikakuvakkeella tai valikkokäskyllä, jonka jälkeen reunapisteitä voi siirtää.
Ohjelmassa A valittua yksikköä ei voi vaihtaa kesken mallinnuksen, koska ohjelma ei
muunna jo syötettyjä arvoja. Ohjelma B muuntaa syötetyt arvot haluttuun uuteen yksikkömuotoon.
Ohjelmassa A on vaarana tehdä laskenta vanhentuneilla tiedoilla, mikäli pituus/pintaalan päivityskäskyn teko unohtuu. Ohjelma ei varoita päivitystarpeesta laskentaa suoritettaessa.
7.2.4 Sadetiedot
IDF-sadetiedot voidaan antaa molemmissa ohjelmissa lineaarisena tai logaritmisena
yhtälönä tai käyttäjän määrittämänä taulukkotietona. Ohjelmassa B on lisäksi Hydro-35
menetelmä, jossa taulukkoon syötetään 5, 15 ja 60 minuutin sademäärä 2 ja 100 vuoden
toistuvuudella. Tietojen perusteella menetelmä tuottaa IDF-käyrän 5, 10, 15, 30 ja 60
minuutin sateille 2, 5,10, 25, 50 ja 100 vuoden toistuvuuksille.
Intensiteetiltään vaihtelevat sateet voidaan syöttää molempiin ohjelmiin intensiteettinä
ajan suhteen tai kumulatiivisena sademääränä. Sateelle annetaan aika-askel ja lumelle
korjauskerroin (vesipitoisuus). Sade voi olla käyttäjän määrittelemä, sadetietoihin täytetään aika sateen alusta ja sademäärä. Ohjelmassa A sadetiedot voidaan syöttää vain yhdessä muodossa (mm/h, aika hh:mm). Ohjelmassa B käytettävissä olevia yksikköjä on
enemmän.
Ohjelmassa A käytettävissä on valmiita sateita ja ne on mahdollista sovittaa USA:n eri
osavaltioille. Valittavissa on myös Chicago design storm -sade. Sateelle voi valita toistuvuuden 1-100 vuoden väliltä ja halutun kokonaissademäärän, mutta sateen kestoa (1
vrk) ei voi muokata. Käyttäjä voi luoda haluamansa sateen syöttämällä sadetiedot ohjelmaan käsin tai siirtämällä Excelistä.
99
Ohjelmassa B valmiita sateita on vähemmän, eikä CDS-sade ole valittavissa vaihtoehdoissa. Käyttäjä voi luoda myös ohjelmassa B haluamansa sateen itse joko syöttämällä
sadetiedot suoraan ohjelmaan, kopioimalla sadetiedot Excelistä tai tuomalla ohjelmaan.
7.2.5 Hydraulinen laskenta
Molemmilla ohjelmilla pystytään mallintamaan pysyvää virtaamaa (steady state) ja
muuttuvaa virtaamaa. Koska ohjelmalla A on mahdollista käyttää dynaamista aaltoyhtälöä, se soveltuu paremmin huleveden valunnan ja verkoston täyttymisen ja virtaaman
mallintamiseen. Dynaamisen aaltoyhtälön käyttö mahdollistaa hulevesiviemärin paineistumisen (virtaama putkessa voi ylittää täyden putken kapasiteetin), purkupisteen
vedenkorkeuden huomioimisen, varastoitumista verkostoon, ja negatiivisen linjakaltevuuden virtauksen laskentaan. Kinemaattisella aaltoyhtälöllä negatiivista linjakaltevuutta ei voida laskea. Ohjelmassa B linjan kaltevuus voi olla negatiivinen. Ohjelman laskenta-arvoihin negatiivisille linjaosuuksille voi antaa minimiarvon convex C:lle (suositus 0,3…0,5), jolloin virtaamat eivät muodostu epärealistisen kokoisiksi.
Molemmissa ohjelmissa paikallishäviöt lisätään erikseen. Ohjelmassa A paikallishäviöarvot annetaan itse jokaiselle linkille erikseen ja käytettävissä on yksi laskentamenetelmä. Ohjelmassa B paikallishäviöt annetaan kaivoille. Käytettävissä on kuusi laskentamenetelmää. Osassa menetelmistä arvot annetaan itse, HEC-22- ja AASHTOmenetelmissä ohjelmaan on syötetty arvot valmiiksi ja käyttäjän tarvitsee valita ainoastaan kaivon pohjan muotoilutapa.
Ohjelma A:n dynaaminen aaltoyhtälö mahdollistaa useamman purkureitin lisäämisen
kaivorakenteeseen, eli ns. dual drainage -mallintamisen. Eli kaivosta ylivuotava vesi
voidaan ohjata reunakivellistä katurakennetta pitkin kadun kaltevuuksien mukaisesti
eteenpäin. Tämä mahdollistaa tulvareitin mallintamisen. Käytettäessä dynaamista aaltoyhtälöä kaivosta voi olla myös useampi purkusuunta. Kinemaattinen aaltoyhtälö (ohjelma A) ja Convex-laskentamenetelmä (ohjelma B) mahdollistavat virtauksenjakorakenteen käytön. Molemmilla ohjelmilla on mahdollista laskea lisäksi tasaisia virtaamatilanteita.
Kapasiteetin ylittyessä ja kaivon tulviessa tulviva vesi voi poistua laskennasta. Ohjelmassa A tulvivat vedet voivat myös lammikoitua kaivon tietoihin syötetyn lammikoitumispinta-alan mukaisesti. Lammikoitunut vesi palaa kaivon kautta hulevesilinjaan
kapasiteetin vapautuessa. Jos lammikoitumiselle ei ole annettu arvoa, tulvivat vedet
poistuvat laskentamallista. Ohjelmassa B lammikoitumisvaihtoehtoa ei ole, mutta kaivon kansi voidaan pultata kiinni, jolloin putki paineistuu.
100
7.2.6 Aika-askeleen pituus ja laskenta-aika
Molemmissa ohjelmissa valittu laskentamenetelmä vaikuttaa aika-askeleen pituuteen.
Ohjelmassa A suositus aika-askeleen pituudeksi on minuutti tai vähemmän käytettäessä
dynaamista aaltoyhtälöä, 5-15 minuuttia kinemaattisella aikayhtälöllä. Ohjelmassa B
aika-askeleen pituutta ei voida määrittää tieteellisesti. Ohjelman manuaalissa hydrologiseksi aika-askeleen oletusarvoksi annetaan 0,1 tuntia ja hydraulisen aika-askelen pituudeksi 1 tunti.
Ohjelma A:ssa mallinnus tapahtui muutamissa sekunneissa laskentatavan ja aikaaskeleen pituudesta riippumatta. Ohjelmassa B aika-askeleen pituus ja laskennan pituus
vaikuttavat huomattavasti laskennan sujuvuuteen.
Rajanmäen mallinnuksessa SWMM-laskentamenetelmässä aika-askeleen pituus oli 1
sekunti käytettäessä dynaamista ja kinemaattista aaltoyhtälöä. Sovelletussa rationaalisessa menetelmässä aika-askeleen pituutta ei voinut valita. Ohjelmassa B aika-askeleen
pituus oli SWMM-laskennassa 5-20 sekuntia ja rationaalisella menetelmällä 15-40 sekuntia. Pienemmillä aika-askeleen pituuksilla ohjelma B ei saanut verkostoa tasapainoon.
7.2.7 Määrällisen ja laadullisen hallinnan työkalut
Hulevesien määrälliseen hallintaan käytettävät työkalut on koottu taulukkoon 33.
101
Taulukko 33.
Määrällinen hallinta
Menetelmä
Ohjelma A
Ohjelma B
Viivytysrakenne
Funktionaalinen
Syvyys-pinta-alakäyrä
Syvyys-tilavuuskäyrä
Maanalaiset viivytysrakenteet
(Yksikkötietoja putki-, kammio- ja
kasettirakenteista)
Funktionaalinen
Syvyys-pinta-alakäyrä
Syvyys-tilavuuskäyrä
Putki
Kammio
Viivytyksen
purkurakenne
Purkurakenne
Purkuaukko
Pato
Luonnonmukaiset
hallintamenetelmät
-
Pato
Ylivuoto
Virtauksenjako
Virtaama*
Käyttäjän määrittämä**
* annetun virtaaman ylittävä osuus
** taulukoitu, virtaaman suhteen muuttuva jakoaste
Purkuaukko
Pato
Nousujohto
Rumpu
Vortex venttiili
Käyttäjän määrittelemä virtaama
taulukkona
Sadepuutarha
Imeytys- tai suodatusrakenne
Läpäisevä päällyste
Hulevesitynnyrit (kattovesien keräys)
Painanne
Virtaama*
Käyttäjän määrittämä**
Ohjelmassa A:ssa oli paljon valmiita luettelotietoja kammio- ja kasettirakenteista. Ohjelmassa oli myös monipuolisemmat virtauksenjakovaihtoehdot. Ohjelmasta A kuitenkin puuttui kokonaan luonnonmukaiset hallintamenetelmät, jotka kuuluivat ohjelman B
työkaluihin. Ohjelmassa B ei ollut käytettävissä valmiita kirjastoja hallintamenetelmille.
Ohjelmassa B oli myös enemmän erilaisia viivytysrakenteen purkuaukkorakenteita.
Hulevesien laadullisen hallinnan menetelmät on koottu taulukkoon 34.
102
Taulukko 34.
Laadullinen hallinta SWMM-menetelmällä.
Menetelmä
Ohjelma A
Ohjelma B*
Kaivo
Solmupisteet
Hulevesien käsitte- Virtauksenjako
Viivytysrakenne
lyrakenne
Purkupiste
Käsittelyn mallinKäyttäjän laatima matemaattinen Funktio konsentraation tai poisnustapa
laskentatapa
tuman suhteen
Virtaama
Virtaama
Vesikerroksen paksuus
Vesikerroksen paksuus
Suure, jonka suhPinta-ala
Solmupisteen pinta-ala
teen käsittelyä voiAika-askel
Aika-askel
daan mallintaa
Viipymäaika rakenteessa
Viipymäaika rakenteessa
* käyttö edellyttää ohjelman laskentamenetelmän päivitystä
Laadullisen hallinnan suhteen ohjelmien välillä ei ollut huomattavia eroja. Ohjelma
B:llä laadullisen hallinnan hyödyntäminen edellyttää laskentamenetelmän päivittämistä.
7.2.8 Viivytysrakenne
Ohjelmassa B viivytysrakenteiden huomiointitapaan vaikuttaa valittu laskentamenetelmä (stationäärinen tai EPS). Käytettäessä stationääristä laskentamenetelmää rakenteeseen tuleva virtaama on sama kuin lähtövirtaama. Vedenpinnankorkeus rakenteessa
määritetään kontrolloivan rakenteen perusteella. Jos tätä ei ole, vedenpinta on sama kuin
käyttäjän antama alkutilanteen vedenpinnankorkeus. EPS laskenta ei huomioi purkupisteen vedenpinnankorkeutta (tailwater), mutta käyttää tulovirtaamaa, viivytysrakenteen
vedenpinnankorkeutta ja purkurakennetta purkuvirtaaman määrittämiseen.
Ohjelmassa A dynaaminen aaltoyhtälö mahdollistaa viivytysrakenteen mallintamisen
”täydellisesti”. Laskenta huomioi niin purkupisteen vedenpinnankorkeuden, viivytysrakenteen vedenpinnankorkeuden kuin purkurakenteen vaikutuksen virtaamaan. Kinemaattista aaltoyhtälöä käytettäessä purkupisteen vedenpinnankorkeutta ei mallinneta ja
viivytysrakenteiden purkurakenteet lasketaan tavanomaisena putkena.
Manuaalin perusteella ohjelmalla A voidaan laskea tarvittava viivytystilavuus annetun
maksimipurkuvirtaaman suhteen. Toimintoa kokeiltiin Kylänpään valuma-alueelle 3.
Sallituksi purkuvirtaamaksi annettiin nykytilanteen mukainen huippuvirtaama 65 l/s.
Ohjelma esittää viivytystarpeen graafisesti (kuva 54) ja tilavuusarvona. Viivytystarve
valuma-alueella oli ohjelman tietojen perusteella 754 000 m3. Saatu tilavuus on viisi
kertaa suurempi kuin alueelle satanut vesimäärää 150 000 m3. Viivytystarpeen pintaalan (kuvassa sinisellä) perusteella arvioituna viivytystarve on lähempänä 750 m3:ta.
103
Kuva 54. Viivytystilavuuden määrittäminen ohjelmalla A. Värjätty pinta-ala vastaa
viivytystarvetta, kun sallituksi purkuvirtaamaksi on asetettu 65 l/s. Viivytystarpeeksi ohjelma antaa 754 000 m3. Pinta-alan perusteella arvioituna 750 m3
on lähempänä totuutta.
Viivytystarvetta selvitettiin iteroimalla kahdella eri viivytysrakenteen koolla. Viivytysrakenteiden tiedot on esitetty taulukossa 35.
Taulukko 35.
Viivytystilavuuden arviointi iteroimalla. Purkuaukon halkaisija valittiin
vastaamaan suurinta sallittua 65 l/s purkuvirtaamaa.
Parametri
Pinta-ala
Korkeus
Purkuaukon halkaisija
Vedenpinnan huippukorkeus
Vettä rakenteessa
Yksikkö
m2
m
mm
m
3
m
Rakenne 1
750
1
200
0,74
550
Rakenne 2
1500
0,5
240
0,47
705
Iteroinnin perusteella ohjelma A:n antama viivytystarve on noin 1000 kertaa tarvittavaa
tilavuutta suurempi, kun vesikerroksen paksuus viivytysrakenteessa on noin 0,5 metriä.
7.2.9 Kaivojen nielu- ja purkuhäviöt
Ohjelmassa B on valittavana 6 laskentamenetelmää, joilla määritetään kaivojen nielu- ja
purkuhäviöt. Laskentamenetelmillä on erilaisia lisämääreitä, kuten kaivon pohjan muotoilu, joka pitää valita. Osaan laskentamenetelmistä käyttäjän tulee itse syöttää haluamansa kertoimet kaivokohtaisesti. Absoluuttisessa menetelmässä annetaan häviö vakiona, johon virtausnopeus ei vaikuta. Yleisessä ja geneerisessä menetelmissä käyttäjä antaa kaivokohtaiset kertoimet häviöiden laskemiseksi, mutta virtausnopeus vaikuttaa hä-
104
viön suuruuteen. HEC-22-menetelmät ja AASHTO-menetelmä laskevat valitun kaivon
muotoilun perusteella kaivossa muodostuvat häviöt. HEC-22-menetelmästä on valittavissa 2. ja 3. versio.
Taulukkoon 36 on koottu nielu- ja purkumenetelmien vaikutus tulvivien kaivojen määrään, vedenpinnankorkeuteen kaivoissa ja täysien putkiosuuksien määrään. Taulukon 36
”ei häviöitä” on muodostettu absoluuttisella menetelmällä antamalla häviön suuruudeksi
0. Tarkastelu on tehty 2. mallinnustilanteelle 60 minuutin sateella, kun sateen intensiteetti on 53 l/s hehtaarille.
Taulukko 36.
Menetelmä
Ei häviöitä
AASHTO
AASHTO
Geneerinen
nd
HEC-22, 2
HEC-22, 3rd
Yleinen
Häviömenetelmän valinta linjan toimintaan ohjelmassa B. Tulvivien
kaivojen ja täysien linjojen lukumäärän lisäksi on esitetty muutos kaivon vedenpinnankorkeudessa (80 % ja 90 % muutoksista sekä maksimi)
verrattuna tilanteeseen jossa häviöitä ei ole huomioitu (ei häviöitä).
Putki täynnä tarkoittaa että vedenpinnankorkeus kaivoissa on putken
laen yläpuolella (virtaama ei välttämättä ole täyden putken virtaaman
suuruinen).
Menetelmän
valittu
lisämääre
none
full
depressed/flat
half
full
improved
none
depressed/flat
full
-
Tulvivia
kaivoja
[kpl]
Fraktiili 80
%
[m]
Fraktiili
90 %
[m]
Max
[m]
Putki
täynnä
[kpl]
2
4
3
4
3
2
2
3
2
49
49
3
0,2
0,1
<0,05
0,1
<0,05
<0,05
0,1
<0,05
2,1
2,1
0,2
0,3
0,1
<0,05
0,1
0,1
<0,05
0,1
<0,05
2,2
2,2
0,2
0,8
0,4
1,0
0,5
0,4
0,3
0,5
0,3
2,7
2,7
0,5
28
51
33
32
34
29
29
34
29
76
75
43
Vertailun perusteella HEC-22:n 3. versio antaa huomattavan paljon suuremmat häviöt
muihin menetelmiin verrattuna, jonka vuoksi noin puolet kaivoista tulvii, keskimääräinen vedenpinnankorkeus nousee yli metrin, suurimmillaan jopa 2,7 metriä. Linjoista
noin 80 % on täynnä.
Kun häviöitä ei huomioida, tulvivia kaivoja on kaksi. Muut häviömenetelmät nostavat
tulvivien kaivojen määrää 1-2:lla. Vedenpinnankorkeuden muutos on 90 %:lla kaivoista
10 cm tai vähemmän. Suurimmat muutokset ovat keskimäärin 50 cm.
Vedenpinnankorkeuden nousu kaivoissa vaikuttaa täysien linjaosuuksien määrään, mutta ei vaikuta virtausnopeuteen linjassa. Linja on täynnä, kun vedenpinnankorkeus kaivoissa on putken laen yläpuolella. Kun häviöitä ei huomioida, täysiä linjaosuuksia on 28
kappaletta. Häviöt nostavat täysien linjaosuuksien määrän noin 30-50 kappaleeseen.
105
Ohjelmassa A menetelmiä ei voi valita ja käyttäjä itse joutuu antamaan häviökertoimet
jokaiselle kaivoon johtavalle linjaosuudelle. Häviökertoimien vaikutukset on koottu
taulukkoon 37.
Taulukko 37.
Menetelmä
Ei häviöitä
On häviöt
Häviömenetelmän valinta linjan toimintaan ohjelmassa A. Tulvivien
kaivojen ja täysien linjojen lukumäärän lisäksi on esitetty muutos kaivon vedenpinnankorkeudessa (80 % ja 90 % muutoksista sekä maksimi)
verrattuna tilanteeseen jossa häviöitä ei ole huomioitu (ei häviöitä).
Putki täynnä tarkoittaa, että vedenpinnankorkeus kaivoissa on putken
laen yläpuolella (virtaama ei välttämättä ole täyden putken virtaaman
suuruinen).
Tulvivia kaivoja
[kpl]
Fraktiili 80 %
[m]
Fraktiili 90 %
[m]
Max
[m]
Putki täynnä
[kpl]
0,1
0,1
0,4
14
17
0
0
Ohjelmassa A muodostuvat nielu- ja purkuhäviöt ovat suhteellisen pienet. Häviöiden
vaikutuksesta vedenpinnankorkeus nousee 90 % kaivoista 10 cm. Suurimmillaan muutos on 40 cm. Laskentamenetelmän vaikutus on 80 % ja 90 % kaivoissa samaa suuruusluokkaa HEC-2 -menetelmän 2. version depressed/flat ja improved muotoilun kanssa.
7.2.10 Mallinnettavat tilanteet
Ohjelmassa B mallinnettavat tilanteet muodostuvat skenaarioista (tarkastelutilanne) ja
vaihtoehdoista (tilanteen ominaisuudet). Puumainen rakenne skenaarioissa mahdollistaa
mallinnettavien tilanteiden luokittelun tehtyjen muutoksien suhteen. Ominaisuuksien
puumainen rakenne mahdollistaa muutosten tekemisen useampaan vaihtoehtoon samanaikaisesti. Rakenne myös mahdollistaa edellisiin tai alkuperäiseen mallinnustilanteeseen
palaamisen. Vaihtoehtojen ja ominaisuuksien muutosten kanssa joutuu olemaan tarkkana -muuten tehdyt muutokset voivat mennä sekaisin. Esimerkki ohjelma B:n skenaariorakenteessa on esitetty kuvassa 55.
Ohjelmassa A mallista voi tallentaa vaiheita Track Changes -valinnalla. Vaiheista muodostuu listaus, jossa vaiheet esiintyvät luomis- ja/tai lataamisjärjesteyksessä. Esimerkki
muutosten seurannan listasta on esitetty kuvassa 55. Vaiheista muodostuva listaus tyhjenee mallia suljettaessa. Säästettävät vaiheet tallennetaan omiksi tiedostoiksi. Koska
skenaariorakennetta ei ole, muutokset joudutaan tekemään jokaiseen tiedostoon yksittäin.
106
Kuva 55. Muutosten seuranta ohjelma A (vasemmalla), skenaariorakenne ohjelmasta B
(oikealla). Ohjelma A:n muutosten seuranta tyhjenee kun ohjelma suljetaan.
Ohjelmassa B on mahdollista hyödyntää aktiivisuustasoa mallinnuksen skenaariorakenteessa. Kun mallinnetaan tilannetta, jossa elementtiä ei ole, elementin tilaksi valitaan ei
aktiivinen. Samalla elementti muuttuu karttapohjalla harmaaksi. Ohjelmassa A elemetti
poistetaan, mikäli sitä ei haluta käyttää sen hetkisessä mallinnustilanteessa. Mikäli elementtiä taas tarvittaisiin myöhemmässä vaiheessa, se pitää joko luoda uudestaan, tai
avata vaihe, jossa elementti on ollut mukana tai palata Track Changes -valikon kautta
mallinnus vaiheeseen, jossa elementti on vielä ollut olemassa.
7.2.11 Mallinnettavien tilanteiden vertailu
Molemmissa ohjelmissa kahden mallinnetun tilanteen väliset erot voidaan selvittää vertaamalla. Ohjelmassa A vertailun tulokseksi saadaan lista, joka sisältää lisätyt, poistetut
ja muutetut elementit (kuva 56). Muutettujen elementtien vanha ja uusi arvo annetaan
omissa sarakkeissa. Moniportaisemman skenaariohallinnan vuoksi ohjelman B vertailu
on monivaiheisempi ja lajitellumpi. Ohjelmassa B vertailun ensimmäisen vaiheen jälkeen nähdään erot skenaarioissa käytetyistä vaihtoehdoista. Vertaamalla vaihtoehtoja
selviää erilaisten elementtien määrä sekä elementtien arvot verratuissa skenaarioissa.
Esimerkki fysikaalisten vaihtojen vertailutuloksista on esitetty kuvassa 56. Ohjelmassa
B voidaan verrata myös laskennassa tehtyjä muutoksia.
Kuva 56. Vaiheiden vertailu ohjelmalla A (vasemmalla) ja ohjelmalla B (oikealla). Ohjelmassa A lisätty/tuohttu elementti on toteutettu ohjelmassa B aktiivisuuden
muutoksena. Molemmilla ohjelmilla myös elementtien fysikaalisia ominaisuuksia on muutettu.
107
7.2.12 Useampi purkuputki kaivosta
Ohjelmassa A käytetty laskentamenetelmä vaikuttaa verkostorakenteeseen. Käytettäessä
dynaamista aaltoyhtälöä kaivosta voi olla useampi kuin yksi purkuputki ja ohjelma jakaa virtaaman automaattisesti korkeus yms. ominaisuuksien perusteella. Käytettäessä
kinemaattista aaltoyhtälöä useampi purkusuunta voidaan toteuttaa virtauksenjako elementillä. Virtauksen jako voidaan toteuttaa neljällä tavalla: annetun virtaaman ylittävänä osuutena (cutoff), ylivirtaamana (overflow), jakokäyränä (flow diversion curve) ja
ylisyöksypatona (weir).
Ohjelmassa B perusoletuksena on, että kaivolla on vain yksi purkuputki. Virtaaman jako
voidaan kuitenkin toteuttaa valitsemalla linkin ominaisuuksista virtauksenjako aktiiviseksi. Virtaaman jako voidaan toteuttaa kahdella tavalla: annetun virtaaman ylittävänä
(cutoff) tai laadittavan jakokäyrän (rating table) perusteella.
7.2.13 Tulosten esittäminen
Tuloksia voi tarkastella molemmissa ohjelmissa elementtikohtaisesti taulukoina tai yhteenvetoraportteina. Molemmissa ohjelmissa on valmiita raporttipohjia, joita voi muokata vastaamaan käyttötarvetta.
Tuloksia voi tarkastella taulukkomuodon lisäksi visuaalisesti. Esimerkiksi virtaamanmuutosta voi seurata mallinnuksen edetessä karttapohjalta tai pituusleikkauksista. Karttatarkastelua varten elementille tulee valita halutut ominaisuudet kuten väri ja koko halutuilla virtaamilla. Mallinnuksen edetessä linjojen värit ja koot vaihtuvat vastaamaan
valittuja ominaisuuksia. Ohjelmassa A karttapohjan elementtityypeillä (osavaluma-alue,
linkki, solmupiste) on 8-11 ominaisuutta, joita voidaan valita tarkasteltavaksi, kuitenkin
vain yksi ominaisuus kerrallaan/elementtityyppi. Ohjelmassa B tarkasteltavia ominaisuuksia on paljon enemmän ja useampi valinta voi olla yhtä aikaa aktiivinen.
Halutuista linjaosuuksista voi tehdä pituusleikkauksen molemmilla ohjelmilla. Profiileista voi seurata esimerkiksi vedenpinnankorkeuden muutoksia mallinnuksen edetessä
tai vedenpinnankorkeutta halutulla tarkasteluhetkellä.
Halutuista pisteistä, esimerkiksi viivytysrakenteen sijaintipisteestä voi määrittää virtaamakäyrän. Käyrä esittää pisteen läpi virtaavan vesimäärän ajan suhteen.
7.2.14 Tulosten vertailu
Ohjelmassa A analyysitulokset voi tallentaa omiksi tiedostoikseen, jotka voi hakea ohjelmaan myös sen jälkeen, kun alkuperäiseen mallinnustilanteeseen on tehty muutoksia.
Tulokset eivät kuitenkaan päivitä elementin ominaisuuksia vastaamaan mallinnustilan-
108
netta. Useampi mallinnustulos voidaan valita aktiiviseksi, jolloin samaan pisteen virtaamakäyrää eri tilanteissa voidaan verrata.
Ohjelmassa B mallinnustulokset jäävät ohjelman muistiin ja valinnat päivittyvät vastaamaan aktiivista skenaariota. Myös ohjelmalla B on mahdollista luoda useammasta
tilanteesta virtaamakäyrä vaihtoehtojen vertaamiseksi.
7.2.15 Tiedon siirto
Varsinkin suuremmilla alueilla tiedon syöttäminen malliin voi viedä paljon aikaa. Verkoston ja mallin luonti sujuvat molemmissa ohjelmissa huomattavasti nopeammin tuomalla lähtötiedot malliin suoraan rakentamisen sijaan. Molemmissa ohjelmissa on tuettu
tiedonsiirtoa ohjelmiin (import) ja ohjelmista pois (export). Ohjelmissa on tiedonsiirron
suhteen merkittäviä eroja sekä tuettujen tiedostomuotojen sekä siirrettävyyden helppokäyttöisyyden suhteen. Taulukkoon 38 on koottu tiedostomuodot, joita ohjelmiin A ja B
voi siirtää. Taulukossa 39 on esitetty tiedostomuodot ja tulosten esittämismuodot, jotka
voidaan tuoda mallista muihin ohjelmiin.
Taulukko 38.
Tiedostomuodot jotka voidaan siirtää ohjelmaan (import).
Import
Ohjelma A
Ohjelma B
Valikosta:
File → Import
Hydraflow Storm Sewer files
GIS Import
SWMM (versio 5.0)
XPSWMM
Land XML
Excel*
ohjelman b database -tiedosto
ohjelman b alamalli (Submodel)
InRoads
Land XML
Muut tuontitavat
Access, CAD, dBase, Esri shapefiles,
Excel, HTML, OLE DB, Oracle
*käyttö mahdollista vain osissa rakenteissa. Esimerkiksi sadetilanteissa mahdollista hyödyntää
Molemmilla ohjelmilla pystytään tuomaan tietoa malliin paikkatietona. LandXML
muodossa tuodut verkostotiedot eivät siirtyneet mallinnusohjelmiin täydellisesti. Ohjelmassa A linjan vesijuoksu otettiin kaivon pohjan tasosta. Ohjelmassa B jokaisen putken loppupisteen vesijuoksun korkeus oli 0. Verkoston sijainti- ja pituustiedot siirtyivät
korkeustietoja paremmin.
Ohjelmassa A on vähemmän tiedontuontimuotoja valittavana kuin ohjelmalla B. Esimerkiksi ohjelmaan A ei voi tuoda verkostotietoja Excelillä. Ohjelmassa B:n parempi
Excel-yhteensopivuus mahdollistaa monipuolisemman ja toimintavarmemman tietojen
tuonnin ohjelmaan erilaisista lähteistä, koska verkostotietojen siirto Excelin kautta sujui
luotettavasti.
Ohjelmassa A jokainen tuotu tieto tallennetaan omaksi tiedostoksi, jotka yhdistetään
merge-käskyllä osaksi varsinaista mallitiedostoa. Ohjelmassa B tietojen siirron voi teh-
109
dä suoraan oikeaan tiedostoon. Ohjelmassa B tietoja voi myös hakea uudestaan. Tietoa
tuodessa voi valita haluaako, että muuttuneet tiedot päivitetään.
Taulukko 39.
Tiedostomuodot, jotka voidaan tuoda mallista muihin ohjelmiin (export).
Export
Ohjelma A
Ohjelma B
Valikosta:
File → Export
dwg, dxf
SWMM (versio 5.0)
GIS
HEC-1
Hotsart
Land XML
Network coordinate file
Hydraflow Storm Sewer file
XPSWMM
Excell
ASCII
pdf
dxf
Land XML
Submodels
Publish-i model
in Roads
Raportit
Pituusleikkaus
dwg, dxf
Enhanced Metafiles, Bitmap Metafiles,
Windows Metafiles
Virtaamakäyrä
dwg, dxf
Enhanced Metafiles, Bitmap Metafiles,
Windows Metafiles
Animaatio
mallinnustuloksista
Cinepac Codec by Radius
DivX
DV Video Encouder
ffdshow Video Codec, ffshow video
encoder
Huffyuv
Intel IYUV
Microsoft RLE, Microsoft Video 1
MJPEG Compressor
VP60® Simple Profile, VP61® Advanced Profile, VP62® Heightened
Sharpness Profile
Xvid MPEG-4 Coder
Esri Shapefile
Tab Delimited file
Comma Delimited file
XML
dxf
Enhanced Metafiles, Bitmap Metafiles,
JPEG, PNG, GIF, TIFF, VML, SVG,
PDF, Post Script, XAML, FLEX
Enhanced Metafiles, Bitmap Metafiles,
JPEG, PNG, GIF, TIFF, VML, SVG,
PDF, Post Script, XAML, FLEX
-
Molemmilla ohjelmilla on monipuoliset mahdollisuudet tietojen vientiin pois mallinnusohjelmista. Ohjelmilla saa vietyä pituusleikkaustietoa suoraan cad muotoisiin ohjelmiin, erilaisia kuvia, käyriä, taulukoita, vertailutiedostoja ja raportteja. Ohjelmassa A
animaatiotulokset pystyy tuomaan ulos ohjelmasta, mutta ohjelmasta B ei.
110
7.3
Mallinnustilanteen 1 tulokset (Kylänpää)
Kaavoituksen vaikutusten arviointia varten luotiin kaksi mallinnustilannetta: nykytilanne ja kaavoitusta vastaava tilanne. Muodostuvien virtaamien perusteella määritettiin
viivytyksen tarve. Mallinnustulosten vertailun vuoksi viivytysrakenteen ominaisuudet
pyrittiin toteuttamaan mahdollisimman samankaltaisina (vakiopinta-ala ja sama purkuvirtaama).
Virtaamatulokset kaavoitusta ennen ja sen jälkeen on esitetty luvussa 7.3.1. Viivytystarpeen vertailu on koottu lukuun 7.3.2. Herkkyystarkastelu on esitetty luvussa 7.3.3. Sovellus EIA:n mukaisesta mitoituksesta on luvussa 7.3.4.
7.3.1 Osavaluma-alueilta muodostuvat hulevesivirtaamat
Hulevesi virtaa osavaluma-alueelta 1 alueiden 2 ja 3 kautta alueelle 4. Osavalumaalueelta 5 muodostuva hulevesivirtaama purkautuu alueen ulkopuolelle.
Osavaluma-alueelta purkautuva hulevesivirtaama ja virtaaman kertymä on esitetty seuraavassa kahdessa taulukossa. Taulukossa 40 on hulevesivirtaama nykytilanteessa ja
taulukossa 41 on esitetty muodostuvat virtaamat kaavoitusta vastaavassa tilanteessa.
Taulukko 40.
Alue
1
1k
2
2k
3
3k
4
4k
5
5k
Hulevesivirtaaman (l/s) muodostuminen nykytilanteessa valumaalueittain. Mitoitussateen toistuvuus on 1/5a ja kesto 60 min. Sateen intensiteetti on 53 l/s*ha, kasvihuoneilmiön myötä 64 l/s*ha.
Pinta-ala
[ha]
Valumakerroin
19,9
0,10
7,7
0,10
12,9
0,10
7,0
0,17
0,8
0,10
Käsinlaskenta
Q
Qkertymä
Ohjelma A
Q
Qkertymä
105
130
45
55
70
85
65
75
5
5
105
125
40
50
70
80
65
75
5
5
105
130
150
180
220
265
280
340
5
5
105
125
145
175
215
255
275
330
5
5
Ohjelma B
Q
Qkertymä
105
125
40
50
70
80
65
75
5
5
105
125
145
175
210
250
260
310
5
5
111
Taulukko 41.
Alue
1
1k
2
2k
3
3k
4
4k
5
5k
Hulevesivirtaaman (l/s) muodostuminen kaavoitustilanteessa. Mitoitussateen toistuvuus on 1/5a ja kesto 60 min. Sateen intensiteetti on 53
l/s*ha, kasvihuoneilmiön myötä 64 l/s*ha.
Pinta-ala
[ha]
Valumakerroin
19,9
0,33
7,7
0,29
12,9
0,39
7,0
0,59
0,8
0,30
Käsinlaskenta
Qalue
Qkertymä
350
350
425
425
120
470
140
565
265
735
320
890
220
955
265
1155
10
10
15
15
Ohjelma A
Qalue
Qkertymä
355
355
420
420
105
465
130
555
270
730
315
870
250
920
295
1110
15
15
15
15
Ohjelma B
Qalue Qkertymä
355
355
420
420
120
470
140
560
275
740
330
880
220
840
260
1120
10
10
15
15
Molemmilla laskentaohjelmilla tulokset olivat samaa suuruusluokkaa kuin laskemalla
käsin. Erot olivat vain 5…10 l/s luokkaa. Viimeisellä eli neljännellä valuma-alueella
hulevesivirtaamiin alkoi muodostua pieniä eroja eri laskentatavoilla. Valuma-alueilta
purkautuva kertymävirtaama on esitetty kuvassa 57 molemmilla mallinnusohjelmilla.
112
Kuva 57. Valuma-alueilta purkautuva virtaama, kun kaavan vaikutus on huomioitu,
mitoitussateen intensiteetti on 53 l/s*ha ja sateen kesto on 60 minuuttia.
Ohjelma A:n hydrografi (ylhäällä) ja ohjelma B (alhaalla). Molemmissa
kuvissa valuma-alueiden järjestys on alhaalta ylöspäin 5, 1, 2, 3 ja 4.
Kuvasta 57 voi havaita, että vaikka huippuvirtaamat ovat lähes samansuuruisia, purkuvirtaaman muodossa alkaa erottua eroja: ohjelmassa B kaikkien valuma-alueiden virtaama on päättynyt ennen 2,5 tuntia, mutta ohjelmassa A virtaamaa on 2,5 tunnin kuluessa vielä vähän jäljellä valuma-alueilla 3 ja 4.
7.3.2 Viivytysrakenteet
Osavaluma-alueelta purkautuva virtaama pyritään pitämään nykyisellä tasolla. Osavaluma-alueen purkuvirtaaman tavoitteeksi valittiin vastaavalla sateen intensiteetillä muodostunut virtaama nykytilanteessa.
Viivytysrakenteiden pinta-ala valittiin käsinlaskennan perusteella niin, että vesikerroksen paksuus on 1m. Syvempi rakenne mahdollistaa rakenteesta purkautuvan virtaaman
säätämisen purkuaukon halkaisijalla. Taulukkoon 42 on koottu mallinnuksen tuloksia:
tulovirtaama rakenteeseen, purkuaukon halkaisija ja vesikerroksen paksuus viivytysrakenteessa.
113
Taulukko 42.
Alue
1
1k
2
2k
3
3k
4
4k
Ala
[m2]
890
1070
260
315
710
855
565
685
Viivytystilavuuden vertailu osavaluma-alueilla 1-4. Vertailu on tehty 53
l/s*ha sateella, jonka kesto on 60 min. Viivytysrakenteen pinta-ala on
sama kaikissa tarkastelutilanteissa. Purkuaukon kokoa säätelemällä rakenteen purkuvirtaama on pyritty saamaan mahdollisimman lähelle
luonnontilaisen alueen purkuvirtaamaa. Taulukossa K=käsinlaskenta,
A=ohjelma A ja B on ohjelma B.
Qpurku
[l/s]
105
130
150
180
220
265
280
340
K
Qtulo
[l/s]
A
B
350
425
225
270
410
500
440
535
355
425
190
230
365
430
410
490
355
420
190
230
385
460
400
480
Vesikerroksen paksuus
[m]
K
A
B
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
0,76
0,78
0,55
0,60
0,71
0,73
0,65
0,96
1,05
1,03
0,76
0,79
0,97
0,95
0,91
0,87
dpurkuaukko
[mm]
A
B
260
290
370
400
410
450
450
500
230
260
300
330
340
380
400
450
Molemmilla ohjelmilla päästiin lähelle tavoitepurkuvirtaamaa, erot olivat noin ±5 l/s.
Ohjelmalla B purkuvirtaamaan päästiin pienemmällä purkuaukon halkaisijalla. Suurimmin halkaisijoiden välinen ero oli 70 mm. Ohjelmalla B tulovirtaama oli lähes sama
kuin käsinlaskemalla ja vesikerroksen paksuus oli lähellä 1 metriä. Vedenpinan korkeus
vaihteli -0,25…0,05 metriä käsin laskettuun verrattuna, mikä vastaa keskimäärin 30 m 3
eroa viivytystarpeessa.
Ohjelmalla A vesikerroksen paksuus oli keskimäärin 0,7 m, eli viivytystarve oli noin 30
% pienempi käsin laskettuihin tilavuuksiin verrattuna. Tilavuustarpeena tämä vastaa
keskimäärin 170 m3 pienempää viivytysmäärää.
7.3.3 Herkkyystarkastelu
Herkkyystarkastelu toteutettiin muuttamalla uomavirtauksen karkeuskerrointa 0,07
(ruoholuiska). Uoman karkeutena kokeiltiin Manningin arvoja 0,1 (epätasainen ruoholuiska/luonnontilainen puro) ja 0,15 (luonnonuoma, paljon kasvillisuutta). Vertailu toteutettiin 60 minuutin sadetapahtumalle, kun sateen intensiteetti on 53 l/s*ha.
Karkeuskerroin vaikuttaa uoman virtausnopeuden kautta huippuvirtaaman muodostumiseen. Karkeuskertoimen vaikutus viivytysrakenteiden huipputulovirtaamiin on koottu
taulukkoon 43. Vaikutukset viivytysrakenteen 1 tulovirtaamiin on esitetty myös graafisesti kuvassa 58.
114
Taulukko 43.
Herkkyystarkastelu: uoman karkeuskertoimen vaikutus viivytysrakenteen tulovirtaamaan. Vertailu on tehty 60 minuutin sateelle, kun sateen
intensitetti on 53 l/s*ha.
Osavaluma-alue
1
2
3
4
A
n=0,07
355
189
362
410
A
n=0,1
348
180
349
378
A
n=0,15
337
165
327
343
B
n=0,07
354
189
384
399
B
n=0,1
351
183
373
383
B
n=0,15
341
174
353
359
Kuva 58. Herkkyystarkastelun vaikutus viivytysrakenteen 1 tulovirtaamaan: ohjelma
A:n hydrografi (ylhäällä) ja ohjelma B:n (alhaalla). Kuvaajissa Manningin
kerroin on 0,07 (musta), 0,1 (vihreä) ja 0,15 (punainen).
Uoman karkeuskertoimella on virtausnopeuden kautta vaikutus hydrografin muotoon ja
huippuvirtaamaan. Vaikutus on suurin valuma-alueelle 4, koska virtausmatka alueen 1
kaukaisimmasta pisteestä valuma-alueen 4 purkupisteeseen on suurin. Karkeuskertoimen kaksinkertaistaminen piennetää huippuvirtaamaa ohjelmassa A noin 15 %, ohjelmassa B vaikutus on hieman pienempi, noin 10 %. Ohjelmien väliset erot ovat alle 5 %.
Ohjelmalla A saatiin pienempiä virtaamia suuremmilla karkeuskertoimilla (n= 0,1 ja
n=0,15).
115
Karkeuskertoimen vaikutus viivytysrakenteen vedenpinnankorkeuteen on esitetty taulukossa 44.
Taulukko 44.
Osavaluma-alue
1
2
3
4
Herkkyystarkastelu: uoman karkeuskertoimen vaikutus vedenpinnankorkeuteen viivytysrakenteessa. Vertailu on tehty 60 minuutin sateelle,
kun sateen intensitetti on 53 l/s*ha.
A
n=0,07
0,76
0,55
0,70
0,65
A
n=0,1
0,75
0,56
0,69
0,60
A
n=0,15
0,73
0,56
0,67
0,53
B
n=0,07
1,05
0,76
0,97
0,91
B
n=0,1
1,02
0,73
0,93
0,86
B
n=0,15
0,98
0,68
0,87
0,79
Karkeuskerroin vaikuttaa enemmän viivytysrakenteen vedenpinnankorkeuteen ohjelmassa B kuin ohjelmassa A Suurimmillaan vaikutus on reilu kymmenen prosenttia. Molemmilla ohjelmilla vaikutus kasvaa virtausmatkan kasvaessa. Ohjelmassa B vaikutus
on kaikissa viivytysrakenteissa noin 10 cm. Ohjelmassa A vaikutukset ovat muutamia
senttejä kolmella ensimmäisellä rakenteella, mutta neljännellä viivytysrakenteella ero
on noin 10 cm. Vaikutus alueelta purkautuvaan virtaamaan muotoon on esitetty kuvassa
59.
Kuva 59. Purkuvirtaaman muutos ajan suhteen, kun Manningin kerroin on 0,07 (musta), 0,1 (vihreä) ja 0,15 (punainen). Ohjelma A (ylhäällä) ja ohjelma B (alhaalla).
116
Purkuvirtaaman muoto molemmilla ohjelmilla on hyvin samankaltainen. Ohjelma B:ssä
huippuvirtaamat ovat 280…240 l/s ja ohjelmassa A 290…240 l/s.
7.3.4 Viivytystarve EIA-menetelmällä
Menetelmässä käytetty 16 mm mitoitussade on 70…85 % mitoituksessa käytettyjä sadetilanteita 19,2 mm ja 22,8 mm pienempi. Sademäärän vaikutus valuma-alueelle satavaan
vesimäärään (m3) on esitetty taulukossa 45.
Taulukko 45.
Osavaluma-alueille satava vesimäärä 50 m3 tarkkuudella 16mm, 19,2
mm ja 22,8 sademäärillä.
Valuma-alue
EIA
Nykytilanne
Kasvihuoneilmiö
Sademäärä
Alue 1
Alue 2
Alue 3
Alue 4
Alue 5
16 mm
19,2 mm
22,8 mm
3200
3800
4550
1250
1500
1750
2050
2500
2950
1100
1350
1600
150
150
200
Pienemmän sademäärän lisäksi valumakertoimien pienentäminen vaikuttaa muodostuviin hulevesimääriin ja sitä kautta viivytys- ja käsittelyrakenteiden tilatarpeeseen. Taulukossa 46 on viivytystarve käsinlaskettuna ja taulukossa 47 ohjelmalla A laskettuna.
Taulukko 46.
Viivytystarve (m3) ja viivytystarpeen muutos käsin laskettuna. Taulukossa k = kertoimen vaikutus, k+p =kertoimen vaikutus+puistoalueiden
hulevesikerroin on 0.
Tarkastelutilanne
Nykytilanne
Kasvihuoneilmiö
EIA (k)
EIA (k+p)
Sademäärä
Alue 1
Alue 2
Alue 3
Alue 4
Alue 5
19,2 mm
22,8 mm
16 mm
16 mm
890
1070
725
635
260
315
220
195
710
855
590
535
565
685
490
465
30
40
25
20
EIA-laskentamenetelmällä viivytystilavuustarve on 15…30 % pienempi jos valumakertoimen muutos lasketaan suoraan TIA:n ja EIA:n välisellä muuntokaavalla. Jos puistojen valumakerroin oletetaan nollaksi, eroa muodostuu 20…40 % nykymitoitukseen verrattuna.
Ohjelmalla A laskettiin vesikerroksen paksuus viivytysrakenteissa taulukon 42 mukaisen nykytilanteen (19,2 mm) viivytysrakenteiden pinta-aloilla ja purkurakenteilla. Vesimäärä tarkasteltiin 16 mm, 19,2 mm ja 22,8 mm sateella. Vesimäärä rakenteessa laskettiin myös käyttämällä EIA-laskentamenetelmän mukaista 16 mm mitoitussadetta ja
muunnettua hulevesikerrointa. Mitoitussade (16 mm) syötettiin malliin sekä 30 minuutin että 60 minuutin kestoisena.
117
Taulukko 47.
Vesikerroksen paksuus (m) viivytysrakenteessa eri sadetilanteissa. Taulukossa k = kertoimen vaikutus, k+p =kertoimen vaikutus+puistoalueiden hulevesikerroin on 0.
Tarkastelutilanne
Kasvihuoneilmiö*
Nykytilanne*
EIA*
EIA (k)*
EIA (k+p)*
EIA (k)**
EIA (k+p)**
Sademäärä
Alue 1
3
V=890 m
Alue 2
3
V=260 m
Alue 3
3
V=710 m
Alue 4
3
V=565 m
22,8 mm
19,2 mm
16 mm
16 mm
16 mm
16 mm
16 mm
0,89
0,76
0,63
0,44
0,39
0,47
0,42
0,64
0,55
0,48
0,39
0,36
0,42
0,37
0,81
0,70
0,61
0,47
0,42
0,49
0,44
0,76
0,65
0,54
0,44
0,41
0,47
0,45
*Sateen kesto 1h **Sateen kesto 30 min
Mallintamalla saatu tarve viivytykselle on huomattavasti pienempi kuin käsinlaskettu
viivytystarve. Vaikka kasvihuoneilmiön vaikutus kasvattaa sademääriä lähes 20 %,
muodostuvat hulevedet mahtuvat nykytilanteen mukaan mitoitettuun rakenteeseen.
Kasvihuoneilmiön mukaisella mitoitussateella viivytystilavuutta voitaisiin pienentää
10…35 % ja nykytilanteen mukaisella mitoituksella 25…45 %. Mitoitussateen pienentäminen EIA-menetelmän mukaiseksi (16 mm) vähentää viivytystarpeen lähes puoleen
nykyisestä. Muutokset hulevesikertoimissa ja puistojen huomioimisessa pienentävät
viivytystarpeen 55…60 % nykyisestä.
7.4
Mallinnustilanteen 2 tulokset (Rajamäki)
Rajanpään verkoston kapasiteetti- ja viivytystarkastelua varten luotiin uutta mallinnustilannetta vastaava malli. Mallinnustulosten vertailun vuoksi verkoston ja viivytysrakenteen ominaisuudet pyrittiin toteuttamaan mahdollisimman samankaltaisina (vakiopintaala, purkuvirtaama, häviöt).
Mallinnustulokset on esitetty luvuissa 7.4.1-7.4.6. Tehokkaan sadannan osuus ja valuma-alueelta muodostuvat hulevesivirtaamat on esitetty kahdessa ensimmäisessä luvussa.
Verkoston kapasiteetti on esitetty luvussa 7.4.3 ja viivytysrakenteen mitoituserot luvussa 7.4.4. Lopuksi on esitetty herkkyystarkastelu ja viivytystarve EIAlaskentamenetelmällä.
7.4.1 Tehokas sadanta
Vertailussa on mukana kaksi sadetapahtumaa. Verkoston mitoitus on tehty 15 minuutin
sateella (sademäärä 10,8 mm) ja viivytystilavuus 60 minuutin sateella (sademäärä 19,2
mm). Sademäärien ero on 8,4 mm.
Rationaalisessa menetelmässä muodostuva hulevesimäärä lasketaan samalla kertoimella
sateen kestosta ja intensiteetistä riippumatta. SWMM-menetelmässä valunnan osuuden
118
kasvuun vaikuttavat läpäisevän pinnan osuus ja maaperälle annetut imeyntäominaisuudet, koska molempien sadetapahtumien sademäärä on painannesäilyntää suurempi. Valuman osuus sadannasta on esitetty kuvassa 60. Yhteenveto tarkastelualueen hulevesien
muodostumisesta on koottu taulukkoon 48.
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
SWMM-60min
SWMM-15min
MRM
Kuva 60. Tehokkaan sateen osuus prosentteina 15 ja 60 minuutin mitoitussateilla.
Taulukko 48.
Valuntamenetelmän vaikutus hulevesien muodostumiseen Rajamäen
alueella. Taulukossa MRM on modifioitu rationaalinen menetelmä.
Parametri
Tehokas sadanta
Tehokas sadanta
Hulevesimäärä
Yksikkö
mm
%
m3
15 minuutin sade
SWMM
MRM
5,0
5,5
46
51
1032
1137
60 minuutin sade
SWMM
MRM
10,4
9,7
54
51
2164
2022
Hulevettä muodostuu lyhyellä 15 minuutin sateella vähemmän SWMM-menetelmällä
kuin MRM-menetelmällä. Pidemmällä tunnin sateella tilanne kääntyy toisinpäin. Rationaalisessa menetelmässä tehokkaan sateen osuus osavaluma-alueilla vaihtelee 20-85 %
välillä. SWMM-menetelmässä tehokasta sadetta on 0-90 % sademäärästä. Koko valuma-alueen pinta-alaan suhteutettuna tehokkaan sadannan osuus on rationaalisella menetelmällä sateen kestosta riippumatta 50 % sademäärästä. SWMM-menetelmän 15 minuutin sateella päästään 45 % osuuteen, 60 minuutin sateella noin 55 %:iin.
Lyhyellä sadetapahtumalla SWMM-menetelmällä muodostuu 0,5 mm vähemmän hulevettä osavaluma-alueiden vaihteluvälin ollessa -2,2…+0,5 mm. Pidemmällä 60 minuutin sateella SWMM-menetelmällä muodostuu 0,7 mm enemmän valuntaa vaihteluvälin
ollessa -3,8…+6,4 mm. Erot ovat suurimpia lounaisosan valuma-alueilla, joissa on paljon läpäisevää pintaa ja maaperä on savea. Näillä alueilla tehokkaan sateen osuus on
SWMM-menetelmällä noin 6 mm rationaalista menetelmää suurempi. Myös pohjoisosan pohjavesialueilla suuri imeytyvyys aiheuttaa eroja valumamääriin.
119
7.4.2 Valuma-alueilta purkautuva huippuvirtaama
Molemmat ohjelmat muodostavat valuma-alueelta purkautuvasta virtaamasta virtaamakäyrän, joka on hydraulisen laskennan lähtötieto. Yhdeltä valuma-alueelta (valuma-alue
nro 15) purkautuva hulevesivirtaama 15 ja 60 minuutin mitoitussateilla on esitetty kuvassa 61.
Kuva 61. Valuma-alueelta 15 purkautuva hulevesivirtaama 15 minuutin ja 60 minuutin
mitoitussateilla. Kuvassa modifioidun rationaalisen menetelmän virtaamakäyrä punaisella, SWMM-menetelmän mustalla. Virtaamakäyrä ohjelmasta A
(vasemmalla) ja B (oikealla).
Osavaluma-alueelta 15 purkautuvan huippuvirtaaman suuruus on 15 minuutin sateella
noin 13,5 l/s. Pidemmällä 60 minuutin mitoitussateella huippuvirtaamissa on noin 6 l/s.
Menetelmäkohtainen ero on alle 1 l/s: SWMM-menetelmällä huippuvirtaama on 6,8 l/s
ja modifioidun rationaalisen menetelmän 6,0 l/s. Osavaluma-alueilta purkautuvien
huippuvirtaamien eroja on koottu taulukkoon 49.
Taulukko 49.
Valuma-alueilta purkautuva huippuvirtaama.
Parametri
Huippuvirtaamien vaihteluväli
Huippuvirtaamien keskiarvo
Osavaluma-alueita, joilla SWMM>MRM
Menetelmien virtaamaero < 1 l/s
Menetelmien virtaamaero < 2 l/s
Menetelmien virtaamaero < 5 l/s
Menetelmien välinen ero (max)
Yksikkö
l/s
l/s
kpl
kpl
kpl
kpl
l/s
15 minuutin sade
SWMM
MRM
0…91
2…96
21
23
29
42
50
53
8
60 minuutin sade
SWMM
MRM
0…42
1…43
11
10
39
42
46
48
15
120
Osavaluma-alueita on 55 kappaletta. Huippuvirtaama on SWMM-menetelmällä modifioitua rationaalista menetelmää suurempi 50 % osavaluma-alueista 15 minuutin sateella
ja 70 %:lla tunnin sateella. Menetelmien välinen huippuvirtaamien ero on noin 75 %:lla
osavaluma-alueista alle 1 l/s. Osavaluma-alueita, joilla menetelmien välinen ero kasvaa
yli 5 l/s on 2…7 mitoitussateen kestosta riippuen. Huippuvirtaamaerot ovat yleensä suurimpia valuma-alueilla, joilla tehokkaan sateen väliset erot olivat suuret.
7.4.3 Virtaamat verkostossa
Hydraulista laskentaa varten eri laskentamenetelmille jouduttiin tekemään muutoksia:
ohjelma A:n kinemaattista ja ohjelma B:n käyttämää Convex-laskentamenetelmiä varten
kaksi kaivoa muutettiin virtauksenjakokaivoiksi, koska kaivoista oli kaksi purkuputkea.
Kinemaattista laskentaa varten linjaosuudet joilla kaltevuus oli negatiivinen, jouduttiin
muuttamaan positiivisiksi. Muutokset vaikuttivat virtaamien johtamissuuntiin verkostoissa.
Verkoston toimintakyky 15 minuutin 120 l/s*ha sateella (toistuvuus 1/2a, kasvihuoneilmiön vaikutus) on esitetty taulukossa 50 ja 60 minuutin 53 l/s*ha sateella (toistuvuus 1/5a) on esitetty taulukossa 51.
Taulukko 50.
Verkoston toimintakyky joka toinen vuosi toistuvalla 15 minuutin sateella (kasvihuoneilmiö huomioitu) eri laskentamenetelmillä. Taulukossa
dyn=dynaaminen, kin=kinemaattinen ja con=convex-menetelmä.
Ohjelma A
SWMM
SWMM
MRM
dyn
kin
dyn
kpl
Täysi putki
34
10
46
kpl
10
10
11
Qhuippu ≥ Qsuunniteltu
kpl
0
8
0
Tulviva kaivo
Tulviva vesi yht.
ha-mm
0
72
0
*laskentamenetelmä ei määritä tulvivaa vesimäärää
Parametri
Taulukko 51.
Yksikkö
Ohjelma B
SWMM MRM
con
con
61
66
36
38
13
17
*
*
Verkoston toimintakyky viiden vuoden välein toistuvalla 60 minuutin sateella eri laskentamenetelmillä. Taulukossa dyn=dynaaminen,
kin=kinemaattinen ja con=convex-menetelmä.
Ohjelma A
SWMM
SWMM
MRM
dyn
kin
dyn
Täysi putki
kpl
17
6
17
kpl
8
6
9
Qhuippu ≥ Qsuunniteltu
kpl
0
5
0
Tulviva kaivo
Tulviva vesi yht.
ha-mm
0
158
0
*laskentamenetelmä ei määritä tulvivaa vesimäärää
Parametri
MRM
kin
9
9
6
45
Yksikkö
MRM
kin
7
7
4
89
Ohjelma B
SWMM
MRM
con
con
34
43
23
19
3
2
*
*
121
Mallinnettu verkosto koostuu 90 putkesta ja 91 kaivosta. Käytettäessä dynaamista laskentamenetelmää verkoston välityskyky riittää mitoitussateen johtamiseen. Vesi padottuu kaivoihin, mutta ei tulvi kaivoista. Padottumista aiheuttaa kaivojen nielu- ja purkuhäviöt. Virtaama putkissa ylittää täyden putken virtaaman 10 %:sta linjoissa.
Kinemaattisella laskentamenetelmällä virtaama putkissa ylittää täyden putken kapasiteetin yhtä monella osuudella kuin dynaamisessa menetelmässä. Verkosto kuitenkin tulvii
5…8 kaivon kohdalla. Laskentamenetelmän mukaisesti kaivo tulvii heti kun virtaama
ylittää linjaosuuden laskennallisen kapasiteetin. Tulviva vesimäärästä peittää 0,4…1,6
ha alueen, jos vesipatsaan paksuus on 10 cm.
Convex-laskentamenetelmällä verkosto on selkeästi muita laskentamenetelmiä täydempi. Lyhyellä 15 minuutin sateella verkostosta noin 65 % on täynnä ja lähes 40 %:lla linjaosuuksista virtaama on laskennallista kapasiteettia suurempi. Kaivoista yli 15 % tulvii.
Tunnin mittaisella sateella verkostosta 40…45 % on täynnä, mutta tulvivia kaivoja on
enää muutama. Verkostossa virtaama on laskennallista putkikapasiteettia suurempi 20
%:lla linjaosuuksista. Convex-laskentamenetelmä ei määritä tulvivaa vesimäärää.
Tasaisen sateen lisäksi verkoston johtamiskapasiteettia tarkasteltiin muuttuvalla 20 minuutin CDS-sateella. Tarkastelu tehtiin ainoastaan dynaamisella laskentamenetelmällä
(Ohjelma A), joka toinen ja kolmas vuosi toistuvilla sateilla. Tulokset on esitetty taulukossa 52.
Taulukko 52.
Verkoston toimintakyky 20 minuutin SDS sateella 1/2a…1/3a toistuvuuksilla. Laskenta on suoritettu ohjelman A SWMM:n dynaamisella
laskentamenetelmällä. Taulukossa k tarkoittaa kasvihuoneilmiön vaikutusta.
Parametri
Täysi putki
Qhuippu>Qsuunniteltu
Tulviva kaivo
Tulviva vesi yht.
Yksikkö
kpl
kpl
kpl
ha-mm
1/2a
29
10
0
0
1/2a+k
45
22
6
0,3
1/3a
39
19
3
0,1
1/3a+k
65
34
18
2,7
Verkoston kapasiteetti mahdollistaa CDS-sateen johtamisen ilman tulvimista joka toinen vuosi toistuvalla sateella. Kasvihuoneilmiön vaikutus tai toistuvuuden kasvattaminen joka kolmanteen vuoteen aiheuttaa muutaman kaivon tulvimisen. Tulvivan veden
määrä 10 cm vesipatsaana peittää noin 10-30 m2 alueen.
Kasvihuoneilmiön huomiointi 1/3a toistuvalla CDS-sateella aiheuttaa verkoston kapasiteetin ylittymisen noin 30 % linjaosuuksilla. Kaivoista noin 20 % tulvii. Tulviva vesimäärä levittäytyy noin 300 m2 alueelle 10 cm vesipatsaana.
122
7.4.4 Viivytysrakenne
Rajamäen koulun eteläpuolelle on mallinnettu hulevesien viivytystarvetta. Viivytysrakenteen purkurakenne on sisähalkaisijaltaan 400 mm putki. Rakenteen jälkeen hulevedet virtaavat noin 100 m avo-ojassa, jonka jälkeen hulevedet ohjataan 400M…500B
hulevesilinjaan.
Hydraulinen laskentamenetelmä ei vaikuta valuma-alueelta muodostuvaan hulevesivirtaamaan tai huippuvirtaaman suuruuteen vaan virtaaman etenemiseen ja varastoitumiseen verkostossa. Laskentamenetelmän vaikutus viivytysrakenteen tulovirtaamaan on
esitetty kuvassa 62. Suurempi tulovirtaama (kuvassa paksumpi viiva) on laskettu dynaamisella laskentatavalla. Kinemaattisen tulovirtaaman (kuvassa ohuempi viiva) on
huomattavasti pienempi verkoston ylivuotojen vuoksi.
Kuva 62. Kinemaattisen ja dynaamisen laskennan ero viivytysrakenteen tulovirtaamassa 60 min sateella (toistuvuus 1/5a). Kuvassa MRM-menetelmä on esitetty punaisella ja SWMM-menetelmä mustalla. Dynaamisen laskennan tulos on paksummalla viivalla ja kinemaattisen ohuemmalla.
Kuvassa 62 dynaaminen ja kinemaattinen laskenta on toteutettu samoilla stabiiliuteen
vaikuttavilla ominaisuuksilla. Käyrien muodosta (tasaisempi viiva) voi selkeästi havaita, että kinemaattinen laskentamenetelmä on dynaamista stabiilimpi. Laskennassa koko
123
alueen laskennan jatkuvuudessa oli virhettä molemmilla laskentamenetelmillä alle 1 %.
Dynaamisen laskennan stabiiliutta voi parantaa esimerkiksi pidentämällä aika-askelta.
Viivytysrakenteen koko on määritetty viidessä eri sadetilanteessa dynaamisella laskentamenetelmällä (ohjelma A) ja Convex-menetelmällä (ohjelma B). Viivytysrakenteen
tilavuus ja vesikerroksen paksuus on laskettu 700 m2 viivytysrakenteen pinta-alalle.
Convex-menetelmällä laskenta on suoritettu ilman kaivojen nielu- ja purkuhäviöitä verkoston ylivuotojen vähentämiseksi. Tulokset on koottu taulukkoon 53.
Taulukko 53.
Toistuvuus
1/1a
1/1a+kasvih
1/2a
1/3a
1/2a+kasvih
1/5a
Vesikerroksen paksuus (m) ja tilavuus (m3) pinta-alaltaan 700 m2 viivytysrakenteessa. Mitoitussateen kesto on 60min, sateen intensiteetti vaihtelee. Taulukossa dyn=dynaaminen (ohjelma A) ja con=convexmenetelmä (ohjelma B).
Sade
mm/min
0,20
0,24
0,25
0,28
0,30
0,32
SWMM dyn
3
h[m]
V[m ]
0,63
440
0,77
540
0,80
560
0,90
630
0,98
690
1,06
750
MRM dyn
3
h[m]
V[m ]
0,70
490
0,83
580
0,87
610
0,98
685
1,05
735
1,13
790
SWMM con*
3
h[m] V[m ]
0,72
505
0,90
630
0,95
665
1,10
770
1,20
840
1,30
910
MRM con*
3
h[m]
V[m ]
0,78
550
0,99
695
1,04
730
1,19
835
1,29
905
1,40
980
*laskettu ilman kaivojen nielu- ja purkuhäviöitä. Verkostossa on muutama ylivuoto.
Sateen toistuvuuden valinta vaikuttaa merkittävästi tarvittavaan viivytystilavuuteen.
Joka vuosi toistuvalle sateelle mitoitettu rakenne on noin 40 % pienempi kuin joka viides vuosi toistuvan sateen viivytysrakenne kaikilla laskentamenetelmillä.
SWMM-laskentamenetelmällä, dynaamisella laskennalla saatiin 5…10 % pienempi
viivytystarve kuin Convex-menetelmällä. MRM-menetelmällä vastaava ero oli 15…20
%. Viivytystilavuutena hydraulinen laskentamenetelmä vaikuttaa viivytystarpeeseen
70…200 m3 verran. Vaikutus on pienempi usein toistuvilla sateilla.
Ohjelmakohtaisesti (eli samalla hydraulisella laskentamenetelmällä) molemmilla valuntamenetelmien välinen ero on 5…10 %. SWMM-menetelmällä saadaan noin 50 m3 pienempi viivytystilavuus MRM-menetelmään verrattuna.
7.4.5 Herkkyystarkastelu
Herkkyystarkastelu toteutettiin dynaamiselle laskentamenetelmälle 15 ja 60 minuutin
sateelle. SWMM-menetelmällä herkkyystarkastelu toteutettiin kolmen muuttujan suhteen: (i) imeyntää muutettiin kaikilla valuma-alueilla +50 mm/h alkuperäiseen verrattuna, (ii) kaivojen yksikköhäviöt jätettiin huomioimatta ja (iii) hydraulista leveyttä kasvatettiin 10 %. Sovelletulla rationaalisella menetelmällä herkkyystarkastelu tehtiin (i) kaivojen yksikköhäviöiden suhteen ja (ii) pienentämällä valunta-aikaa 10 %. Herkkyystar-
124
kastelun vaikutukset tarkasteltiin kaivojen huippuvedenpinnankorkeuden ja 700 m3 viivytysrakenteen vedenpinnankorkeuden suhteen. Tulokset on koottu taulukkoon 54.
Taulukko 54.
Herkkyystarkastelun vaikutukset viivytysrakenteen (700 m3) vedenpinnankorkeuden ja kaivojen huippuvedenpinnakorkeuden keskimääräiseen
muutoksen (cm) suhteen.
Tarkastelukohde
Sateen
kesto
Imeyntä +50 mm/h
60 min
15 min
60 min
15 min
60 min
15 min
Paikallishäviöitä ei huomioida
Valunta-aika -10 %* tai hydraulinen leveys + 10 %**
*MRM ** SWMM
SWMM
Viivytys
h
-3 cm
0 cm
+1 cm
SWMM
Kaivo
MRM
Viivytys
MRM
Kaivo
-3 cm
0 cm
-4 cm
-14 cm
0 cm
0 cm
1,11
-5 cm
-25 cm
0 cm
+2 cm
1,12
Valunta-ajan pienentäminen SWMM-menetelmällä tehtiin kasvattamalla hydraulista
leveyttä 20 %:lla. 60 minuutin sateella valunta-aika pieneni noin 10 %.
Herkkyystarkastelun vaikutus viivytystilavuuteen on suurimmillaan 20 m3 eli noin 2 %.
Tarkastelluilla muuttujilla oli enemmän vaikutuksia vedenpinnankorkeuksiin kaivoissa.
Kaivojen paikallishäviöt vaikuttavat kaivojen vedenpinnankorkeuksiin varsinkin lyhyillä rankkasateilla: 15 minuutin sateella vedenpinnankorkeus laski 14…25 cm, 60 minuutin sateella noin 5 cm. Muissa tarkastelutapauksissa vaikutukset jäivät muutamiin sentteihin. Kaikissa tapauksissa vaikutuksia ei ollut edes havaittavissa.
7.4.6 Viivytystarve EIA-menetelmällä
EIA-menetelmän mukainen 16 mm sademäärä jaettiin eri kestoisiin sadetapahtumiin
mallinnusta varten (taulukko 55). 16 mm sadetapahtumia vastaava intensiteetti ja sateen
toistuvuus (ilman kasvihuoneilmiön vaikutusta) on koottu taulukkoon 55.
Taulukko 55.
kesto [min]
60
30
15
16 mm sateen kestot, intensiteetit ja toistuvuudet hulevesioppaan (Kuntaliitto 2012) mukaisten intensiteettien perusteella sekä joka viides vuosi
toistuvan sateen intensiteetit (kasvihuoneilmiön vaikutuksella ja ilman)15, 30 ja 60 min sateilla.
16 mm sateen
intensiteetti
[mm/min]
0,27
0,53
1,07
16 mm sateen
toistuvuus
1/2a…1/3a
1/5a…1/10a
> 1/10a
1/3a toistuvan
sateen intensiteetti
[mm/min]
0,28
0,43
0,67
1/5a toistuvan
sateen intensiteetti [mm/min]
0,32
0,50
0,73
16 mm sade toistuu tunnin kestoisena reilun parin vuoden välein. Puolen tunnin sateena
sademäärä toistuu viiden…10 vuoden välein ja lyhyenä 15 minuutin rankkasateena yli
125
10 vuoden välein. Viivytystarve tarkastellaan 60 ja 30 minuutin sateiden kestolla. Taulukkoon 56 on koottu EIA:n, Cvol ja Cmax muodostuminen TIA:n perusteella. Taulukkoon on laskettu EIA:n ja Cvol välinen ero muodostuvassa hulevesimäärässä 16 mm
sateella, kun imeytymistä ja painannesäilyntää ei huomioida. Esimerkiksi 50 % TIA:n
arvolla valuntakertoimen ja EIA:n välinen ero 16 mm sateella on noin 2 mm.
Taulukko 56.
TIA [%]
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
EIA, Cvol ja Cmax määritys TIA:n perusteella. EIA:n ja Cvol ero muodostuvan huleveden määrässä on laskettu suoraan sademäärästä (painannesäilynnän osuutta tai imeyntää ei ole huomioitu).
EIA [%]
Cvol [-]
Cmax [-]
0
8
19
30
41
52
62
73
84
95
0
0,06
0,13
0,20
0,26
0,33
0,39
0,46
0,53
0,59
0,28
0,37
0,46
0,55
0,64
0,73
0,82
0,91
1,00
1,00
EIA:n ja Cvol ero 16 mm sateella
[mm]
0
0,3
1,0
1,7
2,3
3,0
3,7
4,4
5,0
5,7
Rajamäen mallinnusalueesta läpäisemätöntä pintaa on 47 %. TIA:n perusteella laskettuna EIA:n osuus on 0,39, Cvol on 0,25 ja Cmax on 0,61. Alkuperäinen Rajamäen alueen
valumakerroin C on 0,51 eli puolet Cvol suurempi mutta 15 % Cmax kerrointa pienempi.
Mallinnuksessa mitoitussateen (16 mm) vaikutus verkoston ja viivytysrakenteen vedenpinnankorkeuteen tarkasteltiin 30 ja 60 minuutin kestoisena sateena. Tulokset on koottu
taulukkoon 57.
Taulukko 57.
Sateen kesto
Verkoston tulvivien kaivojen lukumäärä ja viivytystarve 16 mm sateilla,
kun sateen kesto on 60min ja 30min. Muodostuva hulevesimäärä on arvioitu TIA:n (SWMM) C:n (MRM) kertoimien avulla, sekä EIA:n perusteella. EIA_p menetelmissä viheralueiden hulevesikerroin C ja EIA on
0. Taulukossa T on tulvivien kaivojen määrä.
[min]
Viivytystarve SWMM
TIA
EIA*
3
3
[m ]
[m ]
Viivytystarve MRM
C
Cvol*
3
3
[m ]
[m ]
60
30
15
600
690
715
650
780
765
510
595
610
360
430
455
*Laskettu TIA:n perusteella
Tunnin kestoisella 16 mm sateella viivytystarve on TIA:n ja C:n mukaan laskettuna
600…650 m3 ja puolen tunnin sateella noin 100 m3 enemmän. EIA:n arvoilla laskettuna
viivytystarve pienenee 15 %. Valuntakertoimen Cvol määritys TIA:n perusteella pienen-
126
tää viivytystarvetta 45 %. Viivytysrakenteen tilatarpeessa on eroa noin 150 m3 Cvol ja
EIA:n välillä.
Viivytystilavuustarve 1/5a sateen toistuvuudella, dynaamisella laskentamenetelmällä on
750…800 m3. EIA-menetelmän mukaisella mitoituksella rakenteen viivytystarve on 600
m3. Tätä suuremmat vesimäärät johdetaan tulvareittisuunnittelun mukaisesti.
127
8. JOHTOPÄÄTÖKSET
Mallinnusohjelmien käyttö hulevesien hallinnassa mahdollistaa alueen monipuolisemman tarkastelun vaihtelevissa sadetilanteissa. Nykyinen hulevesien mitoitusohjeistus on
laadittu käsin laskemista varten, eikä mallinnusta varten ole laadittu ohjeistusta. Sillanpään (2013) tutkimusten perusteella nykyistä hulevesiohjeistusta tulisi tarkistaa tavanomaisten sateiden viivyttämisessä ja käsittelyssä käytettävien valumakertoimien ja sademäärien osalta. Rakentamisen vaikutukset ovat suurimmat 16 mm ja tätä pienemmillä
sadetapahtumilla, jolloin hulevettä muodostuu läpäisemättömiltä pinnoilta, jotka ovat
hydraulisesti yhteydessä kuivatusjärjestelmään. Tätä suuremmat sateet johdetaan tulvareitin mukaisesti.
Mallinnusta varten tulee valita käyttötarkoitukseen sopivat laskentamenetelmät ja sopivat parametrit. Menetelmää valitessa ja tuloksia tarkastellessa kannattaa huomioida lähtötietojen tarkkuus: jos maaperästä, läpäisevien pintojen tulevasta määrästä tai pintojen
kaltevuudesta, hulevesiverkostoon liitetyistä alueista yms. ei ole olemassa tarkkoja tietoja, saadut mallinnustulokset ovat lähinnä suuntaa-antavia. Käytettäessä rationaalista
menetelmää (RM) tai sen sovellusta (MRM), tulee huomata että viivytysrakennetta,
verkostoa ja tulvareittiä mitoitettaessa sateen intensiteetin lisäksi käytettyä valuntakerrointa voi/tulee muuttaa.
Tässä työssä käytettiin SWMM-menetelmää, sovellettua rationaalista menetelmää ja
käsin laskentaa. Rationaalisen menetelmän ja sovelletun rationaalisen menetelmän käyttö on yksinkertaista: osavaluma-alueille tarvitsee antaa valuntakerroin ja valunta-aika.
SWMM-menetelmässä osavaluma-alueiden tietoihin tulee syöttää läpäisemättömän pinnan osuuden lisäksi imeytämentelmä ominaisuuksineen, valuma-alueen kaltevuus, hydraulinen leveys painannesäilynnän määrä ja karkeuskertoimet läpäisevälle ja läpäisemättömälle pinnalle.
Tarkempien valuma-alueen ominaisuuksien syöttäminen mahdollistaa erilaisten hulevesimäärien muodostumisen sateen ja valuma-alueen ominaisuuksista riippuen. Lyhyillä ja pienillä sademäärillä suurin osa sateista voi jäädä painanteisiin tai imeytyä maaperään ja hulevedeksi muodostuva osuus sateesta kasvaa vasta suuremmilla sadetilanteilla.
Rationaalisessa menetelmässä hulevedeksi muodostuva osuus vesimäärästä on vakio
sateen intensiteetistä tai kestosta riippumatta.
Menetelmien välinen ero Rajamäen tarkastelualueella valunnan määrässä oli 15 minuutin sateella keskimäärin 0,5 mm ja 60 min sateella 0,7 mm. Erot olivat suurimpia alueilla, joissa rakennettua pintaa oli vähän ja maaperä oli joko savista tai soraista.
128
Laskentamenetelmien väliset erot osavaluma-alueilta purkautuvissa huippuvirtaamissa
jäivät käytetyissä mallinnustapauksissa pieniksi. Osavaluma-alueilta purkautuvien huippuvirtaamien ero oli noin 75 %:lla osavaluma-alueista alle 1 l/s. Huippuvirtaamien ero
oli suurempi kuin 5 l/s vain 2…7 osavaluma-alueella. Huippuvirtaamien erot keskittyivät samoille alueille, joissa hulevesien muodostumisessa oli eroja.
Mallinnusohjelmien A ja B välillä ei ollut merkittäviä eroja laskettaessa huleveden
muodostumista. Ohjelmien väliset erot muodostuivat vasta hydraulisen laskennan yhteydessä, linjojen mitoituksen ja viivytysrakenteiden koon määrityksen yhteydessä. Ohjelman A:n käyttämä dynaaminen laskentamenetelmä mahdollistaa tarkemman verkostolaskennan kuin ohjelma B:n Convex-menetelmä. Rajamäen alueella dynaamisella
laskentamenetelmällä verkostossa ei havaittu tulvivia kaivorakenteita ja noin 20 % linjaosuuksista oli täynnä. Ohjelma B:n Convex-menetelmällä samalla valunta- ja sadetilanteella 15 % kaivoista tulvi ja 65 % linjoista oli täynnä vettä. Ohjelmalla A saatiin
tietoa tulvivasta vesimäärästä, jota ohjelma B ei pystynyt määrittämään.
Mitoitussateen toistuvuudella on huomattava vaikutus viivytystarpeeseen. Joka vuosi
toistuvalle sateelle mitoitettu rakenne on noin 40 % pienempi kuin joka viides vuosi
toistuvalle sateelle mitoitettu rakenne. Sillanpään (2013) esittämä 16 mm sademäärän
käyttö viivytysrakenteen mitoituksessa vastasi noin joka kolmas vuosi toistuvan sateen
rakennetta. Käytetty hydraulinen laskentamenetelmä vaikutti viivytystarpeeseen enemmän kuin valuntamenetelmä tässä mallinnuksessa käytetyillä arvoilla. Suurimmat tilavuudet saatiin laskemalla käsin. Mallintamalla viivytystarve pieneni seuraavassa järjestyksessä: ohjelma B MRM, ohjelma B SWMM, ohjelma A MRM, ohjelma A SWMM.
Määritettäessä Kylänpään viivytysrakenteita MRM-menetelmällä, ohjelmalla A saatiin
noin 30 % pienempi viivytystarve käsin laskettuun viivytystilavuuteen verrattuna. Käytännössä tämä tarkoittaa keskimäärin 150 m3 pienempiä viivytysrakenteita. Ohjelman B
ero käsin laskettuun viivytysmäärään oli noin 5 % luokkaa. Ohjelman A ja B ero viivytysrakenteen purkuputken mitoituksessa vaihteli 10…20 % välillä.
Rajamäen alueella SWMM-menetelmällä viivytystarve oli 5…10 % eli noin 50 m3 pienempi kuin MRM-menetelmällä. Dynaamisella laskentamenetelmällä lasketut tilavuudet olivat 5…20 % pienempiä kuin Convex-menetelmällä. Esimerkiksi joka viides vuosi
toistuvalla sateella viivytystarve vaihteli 750…980 m3 välillä. Pienin tilavuustarve saatiin ohjelmalla A SWMM-menetelmällä ja suurin ohjelmalla B MRM-menetelmällä.
Viivytysrakenteen mitoitus 16 mm sateella EIA:n perusteella pienensi viivytystarvetta
15 % TIA:n mukaiseen laskentaan verrattuna. MRM-menetelmällä Cvol valuntakertoimen käyttö pienensi viivytystarvetta 45 % käytettyyn C valuntakertoimeen verrattuna.
Mallinnustuloksia analysoitaessa on huomattava lähtötietojen lisäksi valittujen laskentamenetelmien vaikutus mallinnustuloksiin. Mallin kalibrointi parantaa tulosten luotet-
129
tavuutta, mutta harvoin malli voidaan toteuttaa niin tarkkana, että sitä voidaan pitää
”täydellisenä” tilanteen kuvauksena.
Ohjelmien käytettävyydessä ja laskennan sujuvuudessa oli eroja. Ohjelma B:llä tiedon
siirto ja muokkaus oli helpompaa ja muokkausmahdollisuudet monipuolisemmat ohjelmaan A verrattuna. Esimerkiksi tiettyjä valuma-alueen ominaisuuksia pystyi muuttamaan ohjelmalla A vain syöttämällä uudet ominaisuusarvot yksitellen jokaiselle valuma-alueelle. Ohjelmassa B kaikki muutokset pystyi tekemään matemaattisilla lausekkeilla kaikkiin haluamiinsa valuma-alueisiin kerralla. Ohjelmassa A oli käytössä ohjelmaa B parempi hydraulinen laskentamenetelmä, mutta ohjelmasta puuttui luonnonmukaisten hallintamenetelmien mallintamistyökalut. Ohjelmalla B laskenta oli raskaampaa
ja laskenta kesti selkeästi ohjelmaa A pidempään. Ohjelmalla A laskenta kesti vain sekunteja, ohjelmalla B laskenta kesti pisimmillään useamman minuutin. Laskentamenetelmän päivitys mahdollistaa saman dynaamisen laskentamenetelmän hyödyntämisen
kuin ohjelmassa A. Laskentamenetelmän päivitys luultavasti myös nopeuttaa laskentatapahtumaa.
130
LÄHTEET
Aaltonen, J., Hohti, H., Jylhä, K., Karvonen, T., Kilpeläinen. T., Koistinen J., Kotro, J.,
Kuitunen T., Ollila M., Parvio, A., Pulkkinen, S., Silander, J., Tiihonen, T., Tuomenvirta, H. & Vajda, A. (2008) Rankkasateet ja taajamatulvat. Suomen Ympäristö 31/2008.
123 s.
Asemakaavamerkinnät ja -määräykset. (2003). Maankäyttö- ja rakennuslaki 2000, opas
12. Ympäristöministeriö, Helsinki. 236 s.
Barnard, E., Dietrich, K., Stafaci, A. Totz, C. Walski, T. Barnard, T., Harold, E., Merritt, L., Walker N., Whitman, B., Hill, C., McKay, G, Plante, S., Schmitz. B. (2007).
Wastewater Collection System Modelling and Design. 1st edition. Exton, USA. Bentley
Institute Press. 606 s.
Brown, S., Schall, J., Morris, J., Dohertly, C., Stein, S. & Warner, J. (2009). Urban
Drainage Design Manual – Hydraulic Engineering Circular 22, Third edition. 478 s.
Butler, D. & Davies J. W. (2004). Urban Drainage 2nd edition. Spon Press. London and
New York. 543 s. ISBN 0-415-30607-8.
Department of Irrigation and Drainage Malaysia. (2012). Urban Storm Water Management (MSMA). Chapter 14 – Flow Estimation and Routing. 32 s.
Djordjevic, S., Prodanovic, D. Mksimovic, C.(1999). Water Science and Technology.
Vol 39 (9), s. 95-103.
EPA 833-F-00-008. (2000). Storm Water Phase II Final Rule: Construction Site Runoff
Control minimum control measure. Fact Sheet 2.6, 4 s.
EPA 821-R-99-012. (1999). Preliminary Data Summary of Urban Storm Water Best
Management Practices. Washington DC. 193 s.
Federal Interagency Stream Restoration Workin Group (FISRWG). (1998). Stream Corridor Restoration, Principles, Processes and Practices. National Engineering Handbook
653. USDA. 637 s.
Gironás, J., Roesner, L. and Davis, J. (2009). Storm Water Management Model Applications Manual. EPA/600/R-09/077. United States Environmental Protection Agency.
Cincinnati, Ohio. 180 s.
Goswami, I. (2012). Civil Engineering All-In –One PE Exam Guide: Breadth and
Depth, Second Edition. The McGraw-Hill Companies.
Hagelberg, E. Karhunen, A., Kulmala, A., Larsson, R. & Lundström E. 2012. Käytännön kosteikkosuunnittelu. Teho-hankkeen julkaisuja 1/2012. 29 s.
131
Helsingin kaupunki. (2013). Helsingin kaupungin työmaavesiohje. 7 s. Saatavissa:
http://dev.hel.fi/paatokset/media/att/5a/5af25e9c60eb7b4f0a8f24dd374a92e7869b4906.
pdf.
Hyöty, P., Lehtikangas S., Meriluoto J. (2007). Kuopion kaupunki. Hulevesien luonnonmukaisen hallinnan menetelmät. Suunnitteluohje. Suunnittelukeskus Oy. 43 s.
Ilmastonkestävän kaupungin suunnitteluopas. 2015a. Hulevesien hallintarakenteet ja
niiden kunnossapito. 43 s. Saatavissa http://www.ymkprojektit.fi/suunnitteluopas/files/2014/07/3.2.Hulevesien-hallintarakenteet-ja-niidenkunnossapito_työkalu.pdf.
Ilmastokestävän kaupungin suunnitteluopas. 2015b. Prosessikuvaus hulevesien suunnittelusta ja rakentamisesta (excel). Internetsivut. [Viitattu 15.4.2015]. Saatavissa:
http://ilmastotyokalut.fi/hulevesien-hallinta/suunnittelusta-kayttajille/.
Ilmatieteenlaitos. (2015) Äkkitulvien vaikutuksia Suomessa. [Viitattu 4.3.2015]. Saatavissa: http://ilmatieteenlaitos.fi/akkitulvien-vaikutuksia.
InfraRYL 2009/2. (2009). Suomen Rakennusinsinöörien Liito RIL ry. Saatavissa
www.rakennustieto.fi/infraryl.
Karamouz, M. Moridi A. & Nazif, S. (2010). Urban Water Engineering and Management. CRS Press. ISBN 978-1-4398-1310-2.
Karttunen, E. & Tuhkanen, T. (2003). RIL 124-1 Vesihuolto I. Helsinki, Suomen Rakennusinsinöörien Liitto RIL ry. 314 s.
Karttunen, E. Tuhkanen, T. & Kiuru, H. (2004). RIL 124-2 Vesihuolto II. Helsinki,
Suomen Rakennusinsinöörien Liitto RIL ry. 684 s.
Kling, T., Holt, E., Kivikoski, H., Korkealaakso, J., Kuosa H., Loimula K., Niemeläinen
E., Törnqvist J. (2015). Vettä läpäisevät päällysteet. Käsikirja suunnitteluun, rakentamiseen ja ylläpitoon. VTT Technology 201. Grano Oy, Kuopio. 75 s.
Kuntaliitto. (2012). Hulevesiopas. Helsinki. Suomen kuntaliitto. 150 s.
Laki tulvariskien hallinnasta. 24.6.2010/620.
Laki vesienhoidon ja merenhoidon järjestämisestä 30.12.2004/1299.
Lemminkäinen. (2010). Kiviasentajan käsikirja. 60 s. Saatavissa:
http://www.google.fi/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=web&cd=3&cad=rja
&uact=8&ved=0CCoQFjAC&url=http%3A%2F%2F193.242.126.9%2FLink.aspx%3Fi
d%3D10022382&ei=S6pcVfTkH6adygOH-
132
ICABQ&usg=AFQjCNF63M2kCXC_IA1yXDf8FozODspzRg&sig2=1afteo9a4MJBzV
qJ_y_Uog&bvm=bv.93756505,d.bGQ.
Liikennevirasto. (2013). Teiden ja ratojen kuivatuksen suunnittelu. Liikenneviraston
ohjeita 5/2013. Helsinki. 114 s.
Lyngfelt, S. (1985). On Urban Runoff Modelling – The Application of Numerical Models Based on the Kinematic Wave Theory. Göteborg. Chalmers University of Technology. 195 s.
Mark, O., Weesakul, S., Apirumanekul, C., Aroonnet, S. Djordjevic S. (2004). Potentialn and limitations of 1D modelling of urban flooding. Journal of Hydrology. Vol. 299
(3-4), s. 284-299.
Maryland Stormwater Design Manual Volumes I. (2000a). Maryland Department of the
Environment in cooperation with the Maryland Department of Natural Resources
Coastal Zone Management Program pursuant to National Oceanic and Atmospheric
Administration. 289 s.
Maryland Stormwater Design Manual Volume II. (2000b). Maryland Department of
Maryland Department of the Environment in cooperation with the Maryland Department of Natural Resources Coastal Zone Management Program pursuant to National
Oceanic and Atmospheric Administration. 302 s.
Mays, L. (2001). Stormwater Collection Systems Design Handbook. U.S.A. New York.
McGraw-Hill.
Mignot, E., Paquier, A. Haider, S. (2006). Modelling floods in a dense urban area using
2D shallow water equations. Journal of Hydrology. Vol. 327 (1-2), s. 186-199.
Mockus, V. & Styner, W. (1972). National Engineering Handbook, Section 4 Hydrology, Chapter 17 Flood Routing. 100 s. Washington, D.C.: Soil Conservation Service,
U.S. Department of Agriculture.
MRL 5.2.1999/132. Maankäyttö- ja rakennuslaki.
Mustonen, S. (toim.) (1986). Sovellettu Hydrologia. Vesiyhdistys r.y. Helsinki. Mäntän
Kirjapaino Oy. 503 s.
Näreaho, T., Jormola J,. Laitinen L. & Sarvilinna A. (2006). Maatalousalueiden perattujen purojen luonnonmukainen kunnossapito. Suomen Ympäristö 52/2006. Vammalan
Kirjapaino Oy, 64 s.
Pajula, H. & Järvenpää L. (2007). Maankuivatuksen ja kastelun suunnittelu. Suomen
ympäristökeskuksen raportteja 23/2007. 190 s.
133
Parjanne, A. & Huokuna, M. (2014). Tulviin varautuminen rakentamisessa. Opas alimpien rakentamiskorkeuksien määrittämiseksi ranta-alueilla. Ympäristöopas. 80 s.
PipeLife. (2014). Hulevesien viivytyssäiliö Ritaharjuun Oulussa. [Viitattu 7.5.2015].
Saatavissa: http://www.pipelife.fi/fi/referenssit/Ritaharju-kiinteistokohtainenviivytyssailio.php.
RakMK A2. 8.5.2002. Suomen rakentamismääräyskokoelma. Ympäristöministeriön
asetus rakennuksen suunnittelijoista ja suunnitelmista.
RakMK D1. 24.1.2007. Suomen rakentamismääräyskokoelma. Ympäristöministeriön
asetus kiinteistöjen vesi- ja viemärilaitteistoista.
RIL 237-2-2010. (2010). Suomen Rakennusinsinöörien Liitto RIL ry. Vesihuoltoverkostojen suunnittelu. Mitoitus ja suunnittelu. 162 s.
Ristimäki, M., Oinonen, K., Pitkäranta, H. & Harju, K. (2003). Kaupunkiseutujen väestönmuutos ja alueellinen kasvu. Suomen ympäristö 657, Ympäristöministeriön julkaisu.
Helsinki. 196 s.
Rossman, L. (2010). Storm Water Management Model, User’s Manual, Version 5.0.
U.S. Environmental protection Agency. EPA/600/R-05/040. Cincinnati, Ohio. 285 s.
RT 38572. (2014). StormTech ® -hulevesitunnelit, AdvanEDGE® -salaojaputki. Kaitos
Oy. 2 s. Saatavissa:
http://www.kaitos.fi/tuoteryhmat/Hulevesij%C3%A4rjestelm%C3%A4t/787/stormtechhulevesitunneli.
Rudus. (2015). Vettä läpäisevät päällysteet hulevesien hallinnassa. [Viitattu 12.5.2015].
Saatavissa: http://ruduspihablogi.fi/vetta-lapaisevat-paallysteet-hulevesienhallinnassa/#!.
Saarinen, U. (2011). Suomessa väki keskittyy taajamiin. Tilastokeskuksen internetsivut.
[Viitattu 1.6.2015]. Saatavissa: http://www.stat.fi/tup/vl2010/art_2011-12-16_001.html.
Schmitt, T., Thomas, M., Ettrich, N. (2004). Analysis and modeling of flooding in urban drainage systems. Journal of Hydrology 299. ps. 300-311.
Sillanpää, N. (2013). Effect of suburban development on runoff generation and water
quality. Aalto Yliopisto. Doctoral dissertations 160/2013. 226 s.
134
Suomen ympäristökeskus. (2010). Tausta-asiakirja hulevesitulvariskien alustavaan arviointiin. Suomen Ympäristökeksus ja ELY-keskukset. [Viitattu 25.2.2015]. Saatavissa:
http://www.ymparisto.fi/fiFI/Vesi/Tulviin_varautuminen/Tulvariskien_hallinta/Tulvariskien_hallinnan_suunnittel
u/Tulvariskien_alustava_arviointi_hulevesitulvat.
Särkiaho, L. & Sillanpää, N. (2012). Stormwater-hankkeen loppuraportti. Taajamien
hulevesihaasteiden ratkaisut ja liiketoimintamahdollisuudet. Espoo. 60 s. Aaltoyliopiston julkaisusarja Tiede+teknologia 4/2012.
Tielaitos. (1993). Teiden suunnittelu IV. Tien rakenne, osa 4. Kuivatus. Helsinki. 69 s.
Tornivaara-Ruikka, R. (2006). Hulevesien käsittely maankäytön suunnittelussa. Uudenmaan ympäristökeskuksen raportteja 3/2006. Uudenmaan Ympäristökeskus. Kurikka. 38 s.
United States Department of Agriculture (USDA). (1986). Urban hydrology for Small
Watersheds. Technical Release 55. 164 s.
United States Department of Agriculture (USDA). (2009). Natural Resources Conservation Service (NRCS). Small Watershed Hydrology WinTR-55 User Guide. 142 s.
United States Department of Agriculture (USDA). (2010). Natural Resources Conservation Service (NRCS). Part 630 Hydrology. National Engineering Handbook. Chapter
15. Time of Concentration. 29 s.
United States Department of Agriculture (USDA).. (2014). Natural Resources Conservation Service (NRCS)Part 630 Hydrology. National Engineering Handbook. Chapter
17. Flood Routing. 78 s.
Urban Drainage and Flood Control District (UDFCD). (2009). Modelling Hydraulic and
Energy Gradients in Storm Sewers: A Comparison of Computational Methods. AMEC
Earth & Environmental Inc. Colorado. 34 s.
Uponor. (2013). Uudet ympäristöystävälliset ja tehokkaat ratkaisut hulevesien käsittelyyn. 6 s. Saatavissa: https://www.uponor.fi/~/media/countryspecific/finland/downloadcentre/house-drainage/brochures/hulevesikasetit_ja_tunnelit_2013.pdf?version=2.
Valtanen, M., Sillanpää N., Hätinen, N. & S Setälä, H. (2010). Hulevesien imeyttäminen ja suodattaminen: haitta-aineet ja menetelmät. Stormwater-hankkeen kirjallisuusselvitys. 48 s. Saatavissa:
http://www.researchgate.net/profile/Nora_Sillanpaeae/publication/230854077_Hulevesi
en_imeyttminen_ja_suodattaminen_haittaaineet_ja_menetelmt/links/0fcfd5056c95f82985000000.pdf
135
Van Waveren, R.H., Groot, S., Scholten, H., van Geer, F.C., Wosten, J., Koeze, R. &
Noort, J. (1999). Good Modelling Practice Handbook. Lelystad, Netherlands: RWSRIZA. STOWA Report 99-05. 165 s. Saatavissa:
http://harmoniqua.wur.nl/public/Reports/Existing%20Guidelines/GMP111.pdf.
Wavin Labko. (2015). Erotinjärjestelmät. [Viitattu 12.5.2015]. Saatavissa:
http://www.wavin-labko.fi/tuotteet/erotinjarjestelmat/
Vesienhoitolaki. 30.12.2004/1299.
Vesihuoltolaki. 9.2.2011/119.
VL 27.5.2011/587. Vesilaki.
Vna 30.11.2006/1040. Valtioneuvoston asetus vesienhoidon järjestämisestä.
Vnp 13.11.2008. Valtioneuvoston päätös valtakunnallisten alueidenkäyttötavoitteiden
tarkistamisesta. (2008). Helsinki. 23 s.
Yleiskaavan sisältö ja esitystavat. (2006). Maankäyttö ja rakennuslaki 2000 julkaisusarja. 73 s.
Ympäristöministeriö. (2007). Vesiensuojelun suuntaviivat vuoteen 2015. Valtioneuvoston periaatepäätös. Suomen ympäristö 10/2007. 93 s.
Ympäristöministeriön asetus pohjarakenteista. 17.6.2014.
Ympäristönsuojelulaki. 27.6.2014/527.
Zoppou, C. (2001). Review of urban storm water models. Environmental Modelling &
Software. Vol. 16, s. 195-231.